电磁感应下忆阻听觉网络的同步分析与能量调控机制研究

针对听觉神经元信号同步机制不明的问题，研究人员构建了集成压电陶瓷声电转换特性的耦合FHN神经元模型，探究突触耦合强度、磁耦合、外部输入及噪声对膜电位同步的影响。结果表明，磁耦合通过调节磁场强度显著改变神经元放电模式，忆阻器通过非线性特性增强系统动态调控能力，为设计高性能生物传感器和神经形态器件提供了新机制。

　　

论文解读

听觉系统是人类感知外界声音的重要通道，但全球约15亿人受听力损失困扰，其中700万人需康复干预。人工耳蜗通过声电转换刺激听觉神经，但其生物物理机制尚未完全阐明，尤其是神经元间的信号同步机制。现有研究多聚焦单一因素，而突触耦合、电磁场干扰、外部噪声等多因素协同作用对神经元同步的影响仍是空白。此外，忆阻器（Memristor）作为兼具记忆和可变电阻特性的新型电子器件，在模拟神经突触可塑性方面展现出潜力，但其在听觉神经元网络动态调控中的作用机制亟待探索。

为破解上述难题，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Biomedical Signal Processing and Control》发表论文，构建了集成压电陶瓷声电转换功能的耦合FitzHugh-Nagumo（FHN）神经元模型。该模型创新性引入磁通控制忆阻器（Flux-controlled memristor）和电感磁耦合，通过四阶龙格-库塔数值模拟，系统分析了突触耦合强度、磁场强度、混沌电流输入及噪声对神经元膜电位同步的影响。

关键技术方法
研究采用FHN神经元电路模型，结合压电陶瓷实现声-电信号转换；通过磁控忆阻器模拟突触可塑性；利用电感耦合模拟神经元间电磁相互作用；采用Hamiltonian能量函数和误差函数量化同步状态；数值计算采用时间步长0.01、总时长2000单位的四阶龙格-库塔法。

研究结果

模型构建
基于生物耳蜗工作原理，设计包含声电转换模块（压电陶瓷）、神经元核心（FHN电路）和耦合模块（忆阻器+电感）的集成系统。FHN模型将复杂电流简化为快变量（膜电位V）和慢变量（恢复变量W），磁控忆阻器通过非线性关系φ=Q+k₁ρ-k₂ρ³调控磁通量。

结果与讨论

1. 单神经元动态：磁通量阈值调控神经元放电模式，当外部磁场B>0.5时，系统出现混沌振荡；忆阻器参数k₁和k₂通过改变非线性强度诱导双稳态。
2. 耦合系统同步：磁耦合强度M=0.3时，误差函数下降80%，膜电位同步性显著提升；混沌电流输入在特定频率（f=0.05Hz）下可触发相干共振。
3. 能量调控机制：Hamiltonian能量分析显示，忆阻器使系统能量耗散降低40%，增强信号传输效率；噪声强度D=0.1时，信噪比提升3倍。

结论与意义
该研究首次揭示磁耦合与忆阻器的协同效应对听觉神经元同步的关键作用：磁耦合通过调节电感间磁场强度（B=0.2-0.8T）重构神经元放电节律；忆阻器的非线性记忆特性显著提升系统动态响应带宽。理论层面，为理解听觉神经信息编码提供新视角；应用层面，为设计高灵敏度人工耳蜗和抗干扰神经形态芯片奠定基础。未来可拓展至多模态感知融合的类脑计算架构研究。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加外部引用；专业术语如FHN模型、Hamiltonian能量等均按原文格式保留上标/下标）