1、信号与系统信号与系统Signals and Systems国家精品课程主教材、北京市精品教材国家精品课程主教材、北京市精品教材 信号与系统信号与系统 (第第 2版版 )陈后金，胡健，薛健陈后金，胡健，薛健清华大学出版社，清华大学出版社， 2005年年信号与系统在生物医学中的应用信号与系统在生物医学中的应用n 利用信号与系统研究生物神经利用信号与系统研究生物神经系统的方法及意义系统的方法及意义n 生物神经网络模型及等效电路生物神经网络模型及等效电路n 神经网络的数学建模神经网络的数学建模n 数值计算方法数值计算方法利用利用 信号与系统信号与系统 研究生物研究生物神经系统的方法神经系统的方法BNN
2、数据采集BNN数据分析BNN等效电路BNN数学模型BNN数值计算BNN信号处理实验数据与仿真结果相比较 BNN仿真输出 根据实验数据和概念模型建立相应计算模型，从而逐步理解和推断生物神经系统的生理结构和生化组成，以及内部作用机理。研究生物神经系统的意义研究生物神经系统的意义验证生物神经网络的模型和假设验证生物神经网络的模型和假设系统化和理论化生物神经系统的实验数据系统化和理论化生物神经系统的实验数据 拓展实验的范围并延伸实验的功能拓展实验的范围并延伸实验的功能 探索生物神经系统的未知领域探索生物神经系统的未知领域 为其它学科模拟生物神经网络奠定必要基础为其它学科模拟生物神经网络奠定必要基础 为
3、其它生物系统的仿真奠定了良好的基础为其它生物系统的仿真奠定了良好的基础 生物神经系统的模型及等效电路生物神经系统的模型及等效电路1.神经元生理结构和生化组成神经元生理结构和生化组成2.静息状态下单个神经元等效电静息状态下单个神经元等效电路路 3.激励状态下单个神经元等效电激励状态下单个神经元等效电路路 4.神经网络中神经元等效电路神经网络中神经元等效电路 神经元生理结构神经元生理结构 非线性时变系统非线性时变系统 神经元神经元1. 神经元生理结构及生化组成神经元生理结构及生化组成神经元生理结构一般由三个主要部分组成，即 细细胞体胞体 (soma)， 轴梢轴梢 (dendrite)， 轴突轴突
4、(axon)。 细胞体位于神经元的中心部分，它包含细胞核，轴梢是从细胞核发射出的许多根状物，轴突也是从细胞核发射出的一根管状纤维。其中轴梢主要功能是从其它神经元接受电信号；细胞体主要功能是积累来自许多轴梢的电位；轴突的主要功能是传导电信号，并传递电信号至其它神经元。 沿着神经元轴突膜 (membrane)分布的膜电位是描述神经元内信息传递的重要物理量。 1. 神经元生理结构及生化组成神经元生理结构及生化组成神经膜内外的离子浓度分布离子 (Ion) 膜内浓度 (Inside Cell) 膜外浓度 (Outside cell)K+ 397 mM/l 20mM/lNa+ 49mM/l 440nM/l
5、Cl- 48mM/l 480mM/l1. 神经元生理结构及生化组成神经元生理结构及生化组成这些离子主要为三种单元素离子， 鉀离子 (K+)、 钠离子 (Na+)、 和氯离子 (Cl-)以及某些复合离子。其中，正极性的鉀离子 (K+)主要分布在神经膜内，而正极性的钠离子(Na+)和负极性的氯离子 (Cl-)主要分布在神经膜外。正是由于神经膜内外的这些离子的存在以及它们在膜内外的浓度分布不同，形成了膜电位。膜电位的外在特性可分为明显的两个阶段，即 静息膜电位 (resting membrane potential) 阶段和 动作电位(action potential) 阶段。静息膜电位为负极性，一
6、般在 -60与 -70mV之间，神经细胞在大多数情形下一直处于此平衡状态。 2. 静息状态下单个静息状态下单个 神经元等效电路神经元等效电路其中：gK, EK 分别为钾离子 K+的等效电导和静息电位；gNa, Ena 分别为钠离子 Na+的等效电导和静息电位；gCl, Ecl 分别为氯离子 Cl-的等效电导和静息电位；Vm为神经细胞静息膜电位。 gK gNa gcl EK ENa ECl IK INa ICl Vm 静息膜电位为 Vm= -60.2mv， 钾离子电流为 IK =5.1mA/cm2, 钠离子电流为 gNa= -4.68mA/cm2, 氯离子电流为 gCl = -0.25mA/cm2。
