Biyolojik nöron modellerinin elektronik donanımlarının incelenmesi
Investigation of the electronic hardware of biological neuron models
Yazar: NİMET DAHASERT
Danışman: PROF. DR. RECAİ KILIÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Nöronların davranışlarını, fizyolojik yapılarını ve bilgi transfer mekanizmalarını etkileyen parametrelerin değişimlerinin incelenmesi veya nöronlar arasındaki etkileşimlerin canlı vücudu dışında ele alınması amacıyla literatürde farklı biyolojik nöron modelleri yer almıştır. Hodgkin-Huxley, FitzHugh-Nagumo, Morris-Lecar, Hindmarsh-Rose, ve Izhikevich Nöron Modeli gibi modeller bunlardan bazılarıdır. Biyolojik nöron modellerinin aktiviteleri simülasyon araçları ya da deneysel düzeneklerden yararlanılarak test edilmektedir. Bu modellerin simülasyon incelemeleri nöral özellikleri yansıtırken, donanım gerçekleştirimleri hem bu özellikleri yansıtmakta hem de elde edilen gerçek zamanlı işaretler robotik uygulamalar ve CPG (Central Pattern Generator) gibi çalışmalarda kullanılmaktadır. Bu sebeple biyolojik nöron modellerini en doğru şekilde, az sayıda eleman kullanarak ve hassas parametre ayarı yapacak şekilde gerçeklemek önemlidir. Bu tez çalışmasında nöronların ve nöral yapıların literatürde mevcut olan donanım gerçekleştirimlerinin incelenmesi, nümerik benzetim programları aracılığıyla modellerin test edilmesi, analog ve dijital programlanabilir elemanlar kullanılarak alternatif gerçekleştirimlerin ortaya konulması amaçlanmıştır.Bu kapsamda, literatürde sıkça çalışılan biyolojik nöron modelleri nümerik olarak analiz edilmiştir. Modellerin daha önce önerilen donanım çalışmaları incelenmiştir. FitzHugh-Nagumo, Izhikevich, Hindmarsh-Rose Nöron Modelleri, literatürde bulunan çalışmalara bir alternatif olması açısından FPAA (Field Pragrammable Analog Array) ve FPGA (Field Programmable Gate Array) elemanları ile programlanabilir olarak gerçeklenmiştir. Programlanabilirlik ve yeniden yapılandırılabilirlik özellikleriyle FPAA ve FPGA elemanları tasarımların karmaşıklığını azaltan esnek tasarım özellikleri, gerçek zamanlı modifikasyon, yazılımla kontrol gibi kolaylıklar sunmaktadır. Biyolojik nöron modellerinin FPAA ve FPGA tabanlı gerçekleştirimlerinin ardından; nöronların senkronizasyon davranışı incelenmiş ve iki Hindmarsh-Rose nöronun senkronizasyonu bu elemanlar kullanılarak elde edilmiştir. Biyolojik nöron modellerinin yanı sıra, gerçek bir biyolojik nöronun kaotik cevapları gibi dinamik davranışlara sahip olan Kaotik Nöron Modeli ve iki kaotik nöron arasındaki etkileşim de FPAA elemanı kullanılarak gerçeklenmiştir.

Abstract:
Several biological neuron models were reported in the literature for the purpose of the examination of the parameter changes, which affect the behaviors, physiological structures and information transfer mechanisms of the neurons, or the investigation of the interaction between neurons outside the living body. Hodgkin-Huxley, FitzHugh-Nagumo, Morris-Lecar, Hindmarsh-Rose, and Izhikevich Neuron Models are some of them. The activities of the biological neuron models are tested utilizing the simulation tools or experimental setups. While the software examinations of the biological neuron models simulate the neural features, the hardware implementations of them both emulate these features and the obtained real time signals are used in studies such as robotic applications and CPG (Central Pattern Generators). For these reasons, it is important to implement the biological neuron models by using minimum number of components and allowing high precision parameter setup in a most accurate way. In this thesis, it is aimed to examine the available hardware implementations of neurons and neural structures in the literature, to test the models via the numerical simulation programs and to present the alternative implementations of them by using the analog and digital programmable devices.In this context, the frequently studied biological neuron models in the literature were analyzed numerically. Previously proposed hardware implementations of the models were examined. FitzHugh-Nagumo, Izhikevich, Hindmarsh-Rose Neuron Models were implemented with FPAA (Field Programmable Analog Array) and FPGA (Field Programmable Gate Array) devices in a programmable manner, in terms of being an alternative to the studies in literature. With the programmability and reconfigurability features, FPAA and FPGA devices offer the conveniences such as flexible design possibilities of reducing the complexity of design, real-time modification, software control and adjustment within the system. After the FPAA and FPGA based realizations of the biological neuron models, the synchronization behaviors of the neurons were examined and the synchronization of two HR neurons were obtained by using these devices. In addition to the biological neuron models, chaotic neuron model, which have the dynamical behaviors such as the chaotic responses of a real biological neurons, and also the interactions of two chaotic neurons were implemented by using FPAA device.