基于突触离子通道动力学神经元网络的高效并行仿真算法*

彭 霞，王直杰，韩 芳，顾晓春

(东华大学信息科学与技术学院，上海 201620)

1 引言

生物神经网络是大量的各类神经元通过各种突触相互连接，并相互作用，实现各类神经信号的复杂传递及处理过程的复杂动力学系统。近年来，为了研究各类神经信号复杂传递过程，探索和掌握生物神经系统的各种功能机理，全球计算神经科学专家建立了大量的生物神经网络数学模型，并通过计算机软、硬件技术，研发了大量系统仿真软件平台，如GENESIS(the GEneral NEural SImulation System)[1]、NEURON[2,3]、NEST[4]、蓝色大脑项目[5]等对神经网络系统进行模拟仿真[6,7]。

生物神经元和突触的动力学特性非常复杂，生物神经网络系统仿真模拟的计算量非常大，譬如，对一个神经元个数N=104的全连接采用递质-受体(Neurotransmitter-receptor)离子通道动力学[8,9]的复杂突触模型的生物神经网络，每一突触后末梢有103个受体，若采用传统时钟同步算法[6,10,11]进行该生物系网络系统的模拟仿真，在每一时间步内，包含N(104)次神经元膜电位计算和约N2(108)次突触电流计算，并且每一突触电流涉及的受体浓度计算包括受体个数(103)次绑定和解绑转化过程的计算。这意味着，每一时间步的每一条突触的输入电流计算涉及到大量的复杂离子通道动力学模型的计算，整个系统模拟的计算量尤其是突触计算量是相当惊人的，单处理器架构下大规模生物神经网络模拟仿真将变得非常困难。因此，当神经网络的神经元及突触规模达到一定数量时，生物神经网络的仿真需要大规模并行计算技术。……