基于前馈网络的针刺信息传导通路模型的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于前馈网络的针刺信息传导通路模型，传导通路模型是模拟从穴位“足三里”到脊髓背角WDR神经元针刺诱发的神经电信号的传导通路；传导通路模型包括“足三里”穴区的感受层、若干中间层和输出层三部分；感受层与中间层之间、中间层与输出层之间以设定的突触耦合强度gsyn与突触耦合概率P单向连接，针刺诱发的神经电信号从感受层经中间层最终到达输出层，逐层向前单向传导；有益效果是该模型为探究针刺信息传导规律提供了可靠的网络模型，用于探究电针诱发的电信息从“足三里”到脊髓背角的传导规律，解释不同频率、不同强度电针的效应差异性。通过对模型的进一步分析，可以针对不同个体得到最优电针参数，有利于临床效应的提高。
【专利说明】
基于前馈网络的针刺信息传导通路模型
技术领域
[0001] 本发明涉及生物医学工程技术和神经计算科学，特别是一种基于前馈网络的针刺 信息传导通路模型。
【背景技术】
[0002] 针灸是一种被广泛接受的治疗手段，在临床应用中对神经痛、胃病、心脏病等多种 疾病都有显著疗效，但针灸效应的完整的作用机理尚不明确。针灸可以等效为一种瞬时的 外部刺激，针灸效应可看做是神经系统对针刺刺激的信息编码与传导。针刺是如何在神经 系统中传导，神经系统是如何对针刺刺激进行编码与响应的，这些问题都很难从动物实验 的角度进行解释，那么构建一个能够刻画针刺信息从穴区到关键神经元核团、再到效应器 的传导通路的网络模型就尤为重要，以便于从模型的角度分析针刺信息的传导规律，进而 探究最优参数提尚临床疗效。
[0003] 前馈网络是一种最为简单的人工神经网络，该网络结构内不存在反馈。网络中的 信息传导是单向向前的，从输入层节点，通过隐藏层节点，到达输出层节点。相邻两层之间 前一层的输出作为后一层的输入。前馈网络这种简单的信息传导结构，计算效率高，有利于 研究逐层传导过程中的传导规律。
[0004] 脊髓背角中的WDR神经元是众多刺激传入到高级效应器过程中信息集合的第一 站，是针刺信息传导通路上的重要神经核团之一。WDR神经元接受多种类型初级感觉传入纤 维，主要包括快反应的A类纤维和慢反应的C类纤维。当感受野接受到足够强的刺激时，A类 纤维可以迅速引起短潜伏期、短时程的"早串反应"，随后经过一段时间的无放电宁静期后， C类纤维兴奋引起的长潜伏期、时程可变的"晚串反应"，从而形成典型的"两串反应"形式. 近年来，已有文献验证了一定强度的电针刺激，会诱发WDR神经元产生"两串反应"。许多生 物物理模型都以复现WDR神经元的这一固有生理特性来验证模型可靠性。
[0005] 目前，利用针刺电信息建模的研究主要集中在两方面:一是数据分析方面，利用非 线性分析方法分析针刺诱发WDR神经元放电序列，提取放电序列的非线性特征，但通过非线 性特征构建的模型复杂度高，缺少生理机制支持;另一方面是量化针刺输入方面，通过建立 状态空间模型，估计模型输入，量化针刺输入，但却无法解决针刺之后刺激诱发的电信息的 传导过程与作用机制。
[0006] 针刺过程中会激发众多神经元功能核团，而现阶段无法在动物针刺实验过程中同 时记录传导通路上繁多的神经元核团放电信息，因而通过实验检测整个传导过程中神经电 信号变化是不现实的。另一方面，现有的基于神经元生理特性的网络模型都非常复杂，计算 效率低，不利于研究针刺信息传导规律。除此之外，现有的脊髓网络模型，只集中构建了脊 髓局部网络，无法解决从穴区到脊髓、乃至针刺效应器的传导问题。
【发明内容】
[0007] 针对以上不足，本发明的目的是提供一种基于前馈网络的针刺信息传导通路模 型。根据实验测得的WDR神经元放电特征设定模型内部参数，进而构建具有一定生理意义的 针刺信息传导通路模型，为探究不同频率、不同强度电针诱发的放电信息从"足三里"到脊 髓背角的传导规律提供了一个可靠的网络模型。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于前馈网络的针刺信息传 导通路模型，其中：所述传导通路模型是模拟从穴位"足三里"到脊髓背角WDR神经元针刺诱 发的神经电信号的传导通路;所述传导通路模型包括"足三里"穴区的感受层、若干中间层 和输出层三部分;感受层与中间层之间、中间层与输出层之间以设定的突触耦合强度g syn与 突触耦合概率P单向连接，针刺诱发的神经电信号从感受层经中间层最终到达输出层，逐层 向前单向传导;所述的感受层模拟"足三里"穴区附近的神经元在针刺作用下的放电活动， 该放电活动通过突触耦合转化为突触电流，作为中间层的输入；中间层的放电活动通过突 触耦合转化为突触电流，作为输出层的输入，所述输出层的输出模拟了针刺作用下WDR神经 元的放电活动。
[0009] 本发明的有益效果是将生理实验现象与计算神经科学相结合，构建了基于前馈网 络的针刺信息传导通路模型，为探究针刺信息传导规律提供了可靠的网络模型。优势在于： 1.本模型采用前馈网络的基本结构，逐层向前传递信号，不存在反馈，结构简单，每个节点 均由2阶模型进行模拟，相比于复杂网络中的4阶乃至高阶模型，具有更高的运算效率。2.本 模型内部参数均根据实验测得的神经元放电特征进行设定，具有一定的实际生理意义。3. 针对不同的个体差异可以对模型参数进行调整，采用不同的刺激输入参数模拟不同的电针 参数，可以针对不同个体得到最优电针参数，有利于临床效应的提高。4.本模型相比于动物 实验过程具有更好的可视性，可以追踪针刺作用下传导通路中每一个神经元核团的变化。 5.本模型不仅可以构建从"足三里"到脊髓背角的针刺信息传导通路，还可以通过增加中间 层，使输出层模拟更高级别神经核团乃至效应器的放电特征，构建从"足三里"到效应器的 整个针刺信息传导通路，相比于其他固定描述局部神经元网络结构的模型，具有更强的可 扩展性。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明的基于前馈网络的针刺信息传导通路模型技术路线图；
[0011] 图2为本发明中的实验数据处理流程图；
[0012] 图3a、图3b、图3c为本发明的实验数据放电时刻与模型输出放电时刻比对图。
【具体实施方式】
[0013] 结合附图对本发明的基于前馈网络的针刺信息传导通路模型结构做进一步描述。
[0014] 本发明的基于前馈网络的针刺信息传导通路模型的设计思想是基于脊髓背角WDR 神经元是针刺信息传导通路上的重要核团之一，所述的针刺信息传导通路模型，通过模型 的输出是否可以复现针刺动物试验中WDR神经元的放电特征来验证模型可靠性。
[0015]如图1所示，首先设计科学合理的动物针刺实验，采集针刺作用下大鼠脊髓背角 WDR神经元的放电信息，然后将实验数据传到PC，在MATLAB软件平台中提取WDR神经元放电 特征，根据放电特征设定模型内部参数，从而构建一种基于前馈网络的针刺信息传导通路 模型。该传导通路模型模拟了从"足三里"穴区到脊髓背角WDR神经元针刺诱发的神经电信 号的传导通路。
[0016] 所述的基于前馈网络的针刺信息传导通路模型，如图1虚框内所示，包括"足三里" 穴区的感受层1、若干中间层2和输出层3三部分。感受层1与中间层2之间、中间层2与输出层 3之间以设定的突触耦合4强度g syn与突触耦合4概率P单向连接，针刺诱发的神经电信号从 感受层1经中间层2最终到达输出层3,逐层向前单向传导。感受层1模拟"足三里"穴区附近 的神经元在针刺作用下的放电活动。中间层2模拟"足三里"穴区到脊髓背角的这条传导通 路上的关键神经元核团的放电活动。输出层3的模拟针刺作用下WDR神经元的放电活动。采 用一组泊松分布序歹！
莫拟电针刺激，作为针刺信息传导 通路模型的输入。该输入以一定的连接概率P施加在前馈网络的感受层中的神经元。通过改 变不同泊松分布参数λ和泊松序列长度，来模拟不同频率、不同强度的电针参数的刺激，从 而达到探究不同电针参数传导规律的目的。
[0017] 所述的感受层1、中间层2和输出层3中由若干个神经元节点组成，其中每个神经元 节点是由表现如下的Izhikevich模型建模的：
[0018]
[0019]
[0020]式中：Vi, j表示第i层中第j个神经元的膜电位，Ui, j表示神经元的恢复变量。表 示第i层第j个神经元接收的突触电流；
[0021] 当神经元膜电位vi,j多30mV时，那4采用前向欧拉法在MATLAB软 件平台中求解Izhikevich模型的微分方程。
[0022] 所述的突触耦合4将前一层的放电活动转化为突触电流，作为下一层神经元的输 入，其中突触电流具有如下的表现：
[0023]
[0024] 式中：Vi, j表示神经元的膜电位，是第i层网络的第j个神经元接收的突触电流 之和，Nsyn表示该神经元与前一层神经元的親合个数。Vsyn为突触反电势。gsyn表示突触親合 强度。a(t)为突触核函数,tH.k为与该神经元相耦合的前一层神经元的放电时刻。
[0025] Nsyn由相邻层之间的突触耦合概率P决定。突触核函数a (t) = (t/τ)eTtA，τ是突触 时间常数，突触的类型由突触反电势Vsyn决定，本模型中只考虑了兴奋性突触，因此突触反 电势V syn恒为0。
[0026] 所述的传导通路模型中的突触耦合4强度gsyn与突触耦合4概率P属于模型的内部 参数7,均需根据通过分析处理实际生理数据5获得的实际针刺作用下的WDR神经元的放电 特征6进行设定，具体数据分析处理步骤如图2所示：
[0027] 1)首先需要设计科学合理的针刺实验，采用电针针刺大鼠"足三里"，同时用MP150 生理信号记录仪同步记录大鼠脊髓背角WDR神经元的放电信号，并将生理信号传入PC端。
[0028] 2)将生理信号传入PC后，在MATLAB软件平台中提取有效放电信息，设计滤波范围 为300Hz到3000Hz的FIR带通滤波器将记录信号中的场电位与高频噪声滤除，得到放电频段 的膜电位，截取信噪比高的数据段用于后续分析；
[0029] 3)在MATLAB软件平台中利用SARGE软件包去除电针尾迹，SARGE是被广泛应用于去 除外部刺激对神经电信号的干扰，具有可视化的图形界面；
[0030] 4)在MATLAB软件平台中利用wave-clus软件包提取WDR神经元的放电序列，对经过 步骤2)、步骤3)处理得到的去除干扰的电信号X，估计该信号中噪声信号的标准差〇 = median{ I X I /0.6745}，将放电阈值设为Vth = 4〇,得到神经元的放电时间序列；
[0031] 5)提取步骤4)处理后的放电时间序列的特征，如图3a所示提取出WDR神经元对周 期电针刺激的响应，图中箭头表示刺激方向，绘制如图3b所示的放电栅图，并计算周期电针 刺激的下W)R神经元的平均放电率、"两串反应"的静息期这些WDR神经元的放电特征参数。 [0032]根据经过以上数据分析处理步骤获得的WDR神经元的放电特征参数，设定所述的 基于前馈网络的传导通路模型的内部参数(突触耦合强度g syn与突触耦合概率P)。绘制如图 3c所示的模型输出层中任一神经元的放电栅图，图3b与图3c中的横坐标均为时间，纵坐标 均为刺激编号。通过比较图3b和图3c可知，模型输出能够复现出实际针刺实验中WDR神经元 的"两串反应"这一生理特征，验证了所构建的基于前馈网络的传导通路模型的可靠性。 [0033]以上仅为本发明的实施例，并非对本发明的技术范围做任何限制，凡利用本发明 说明书做的各种形式的改变均没有超出本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于前馈网络的针刺信息传导通路模型，其特征是:所述传导通路模型是模拟 从穴位"足三里"到脊髓背角WDR神经元针刺诱发的神经电信号的传导通路;所述传导通路 模型包括"足三里"穴区的感受层（1)、若干中间层（2)和输出层(3)三部分;感受层（1)与中 间层(2)之间、中间层(2)与输出层(3)之间以设定的突触耦合(4)强度g syn与突触耦合(4)概 率P单向连接，针刺诱发的神经电信号从感受层（1)经中间层(2)最终到达输出层(3)，逐层 向前单向传导；所述的感受层（1)模拟"足三里"穴区附近的神经元在针刺作用下的放电活 动，该放电活动通过突触耦合(4)转化为突触电流，作为中间层的输入；中间层的放电活动 通过突触耦合(4)转化为突触电流，作为输出层的输入，所述输出层(3)的输出模拟了针刺 作用下WDR神经元的放电活动。2. 根据权利要求1基于前馈网络的针刺信息传导通路模型，其特征是:所述感受层（1)、 若干中间层(2)和输出层(3)中的每个节点都表示一个神经元，其中每个神经元节点是通过 表现如下的Izhikevich模型建模：式中：表示第i层中第j个神经元的膜电位，表示神经元的恢复变量，表示第i 层第j个神经元接收的突触电流； 当神经元膜电位Vi, j多30mV时，3. 根据权利要求1基于前馈网络的针刺信息传导通路模型，其特征是：所述突触耦合 (4)是将前一层的放电活动转化为突触电流，作为下一层神经元的输入，所述突触电流具有 如下的表现：式中：Vi, j表示神经元的膜电位，Nsyn表示该神经元与前一层神经元的親合个数，是 第i层网络的第j个神经元接收的突触电流之和，Vsyn为突触反电势，gsyn表示突触耦合强度， a(t)为突触核函数，ti-i,k为与该神经元相親合的前一层神经元的放电时刻； Nsyn由相邻层之间的突触耦合概率P决定，突触核函数a(t) = (t/T)eTtA，其中t是突触时 间常数，突触的类型由突触反电势Vsyn决定。4. 根据权利要求1基于前馈网络的针刺信息传导通路模型，其特征是:所述的传导通路 模型中的突触耦合(4)强度gsyn与突触耦合(4)概率P属于模型的内部参数(7)，均需根据通 过分析处理实际生理数据（5)获得的实际针刺作用下的WDR神经元的放电特征（6)进行设 定。
【文档编号】G06F19/00GK106055866SQ201610323714
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】王江, 金晨, 陈颖源, 邓斌, 魏熙乐, 于海涛
【申请人】天津大学