神经元网络FPGA仿真系统的实现与应用研究

摘要

类脑计算的核心是神经元及神经元网络的模拟和仿真，现场可编程门阵列FPGA具有并行计算、编程灵活、集成度高等优势，非常适合作为大规模神经元网络的硬件仿真平台。中枢模式发生器CPG是运动神经系统中节律性运动产生和调节的基础。本文主要探讨了采用FPGA搭建神经元网络仿真平台并基于该平台进行运动神经元网络的机理研究。 首先，搭建了基于FPGA的神经元网络仿真系统，分别从硬件系统、软件系统和数据通讯等方面做了系统性分析，针对大规模神经元网络硬件仿真给出了相应的网络扩展方案。同时，设计了基于FPGA的多电极阵列仿真平台，设计并实现了基于LabVIEW的软件用户界面，为相关科研人员提供了一个直观便捷的高速硬件仿真平台。 其次，为研究生物运动神经系统的机制，深入探讨了中枢模式发生器CPG的动态特性和节律发生机制，并在FPGA仿真平台上实现了最小CPG网络。该硬件CPG可以在真实生理时间尺度下进行仿真研究，加速了揭开运动CPG神经网络节律产生和调节机制的进程，对基于CPG的仿生运动机器人设计及运动功能康复治疗具有重要的理论指导意义。本文中提出的硬件优化实现方法大幅降低了硬件资源消耗，为未来大规模神经元网络的硬件实现奠定了基础。 最后，在FPGA仿真平台上实现了呼吸CPG神经网络，对呼吸CPG神经网络的相应动态特性和节律调控机制进行了分析。同时，设计了一种基于CPG的心肺节律同步控制仿真系统，对于呼吸节律调节以及呼吸性疾病的治疗研究与应用有着重要的实用价值，为类脑计算及神经元网络仿真研究提供了新的思路。

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