模拟与仿真

第七章　模拟与仿真

脑科学研究工作受到的最大限制就是脑的结构和功能复杂，个体差异以及现代伦理道德。如果了解了某些神经现象的本质，不采用活体实验方法，而采用电路模拟或计算机程序仿真的方法同样可以得到相应的结果，预测可能发生的情况，探讨其过程机理，这样不仅节约实验成本，快速获取实验数据，同时做到不触及伦理道德问题。当然，我们应该清醒地认识到，模拟和仿真方法是实际现象的简化，适用范围还很窄，大多数局限于外周神经系统。即便这样，这种方法还是值得提倡的。

下面我们对视觉系统的机制做初步探讨。对一个健全人来说，每天接收到的信息中80%来自于视觉。外界的影像经眼球屈光系统，投射到眼底视网膜上的视锥细胞和视杆细胞，这两种细胞称为光感细胞器。视锥细胞分布在中央凹附近，感受强光；视杆细胞分布在视网膜周边，感受弱光。它们可根据光谱变化发出不同频率的脉冲信号。双极细胞接收到视锥细胞或视杆细胞发出的信号后，将其转变成神经脉冲，经视神经、视交叉、视束、外侧膝状体、视辐射，最后投射到大脑的距状裂。

时下的CCD／CMOS感光芯片，其工作原理是：外界光经过镜头的聚焦系统，将其聚焦在固态半导体表面，激发出电子（或空穴），即完成光电转换。这些被激发出的电子（或空穴）的数量与外界光谱成一种函数关系。它们被激发出来后储存在光电二极管阵列中，在外界电动势的作用下，这些存储的电荷向外流动形成电信号。电信号经过放大调试投射到荧光屏上。CCD／CMOS的工作原理与视网膜内的视锥细胞、视杆细胞有异曲同工之妙。

我们再看一看听觉系统的机制。同样，对于一个健全人，每天接收到的信息中16%来自于听觉。外界的声波信号分为语音、音乐、和谐音、不和谐音四种，前两种蕴含着信息要素，表达一定的含义；后两种不蕴含实质意义，如泉水流动声、机器噪声。这四种声波信号的频率带宽均限于20～2　000Hz范围内。声波经耳郭、外耳道振动鼓膜，再通过由锤骨、砧骨、镫骨组成听小骨链的杠杆作用，使声波的声能转变为机械能，振动卵圆窗，引起前庭阶内的淋巴液流动，进而带动蜗管内的淋巴液流动，这样，声音在空气中的传导就转变为液体流动，由调幅信号变为调频信号。蜗管的基底膜存在着许多毛细胞，毛细胞顶端有许多具有弹性的纤毛，毛细胞的上方有一个一侧游离的盖膜，附在毛细胞的纤毛上，它随淋巴液的流动而摆动，这样就带动毛细胞的纤毛摆动。毛细胞与上方的盖膜合为一体结构，称为螺旋器（如图7－1所示）。

图7－1　螺旋器示意图

毛细胞上的纤毛摆动在毛细胞内产生神经脉冲信号，信号传给双极细胞，再经听神经、耳蜗背核和耳蜗腹核、内侧膝状体最后投射到大脑的颞叶听区。

用毛细胞对比一下话筒内的驻极体。目前驻极体品种繁多，不同材料合成的驻极体有不同的特性，现以最简单的电磁式驻极体为例，说明其工作原理（如图7－2所示）。

图7－2　电磁式驻极体示意图

外界无声音时金属膜片不动。当外界有声音时，金属膜片振动，从而带动音圈摆动，这样就在磁铁两端产生出变化的感应磁场，继而产生感应电流，电流经过放大就可推动扬声器发声。驻极体的工作效果与毛细胞同出一辙，都是把声波转变成电流。

另外，其他各种电子传感器与我们体内的感受器作用结果也一样，都是将不同的感知信号转变成电信号。因此，我们完全可以使用这些器件达到相应的模拟目的。

模拟技术有着广阔的应用前景。目前已有上千盲人和失聪者可以通过视觉假体（visual prostheses）和电子耳蜗，再加上脑机接口技术，经过一段时间训练，部分地恢复了视觉和听觉。这是人类取得的巨大成果。我们深信，随着这些技术的日益成熟，将来大部分视力和听力障碍者都能重新获得有效的视力和听力。

目前，计算机仿真已经成为解决工程实际问题的重要手段。在众多的仿真软件中，MATLAB／Simulink一枝独秀，成为使用最广泛的仿真软件。在这里举一个用Simulink仿真听力传导的例子：打开MATLAB，在Simulink环境下用Signal Generator信号源模拟声源，声波经Gain放大器放大，它代表骨膜／卵圆窗比，即声音信号放大20倍，然后再经FM Demodulator Passband与Date Type Conversion转变，前者代表声音的振动波转变成内耳淋巴液流动波，即调幅波转变为调频波，后者数据转换器代表内耳淋巴液流动波转变为神经信号，最后神经信号进入大脑记忆区和听觉区。同时，记忆区内信息还可以回到听觉区（如图7－3所示）。

图7－3　Simulink仿真听力传导示意图

仿真结果如图7－4所示。

图7－4　Simulink仿真听力传导结果示意图

从仿真结果看出，投射到听觉中枢的最终神经信号是电脉冲。我们可以根据实验条件，设置上述每个模块的仿真参数，来取得不同的实验结果。