論文解讀

聽覺系統是人類感知外界聲音的重要通道，但全球約15億人受聽力損失困擾，其中700萬人需康復干預。人工耳蝸通過聲電轉換刺激聽覺神經，但其生物物理機制尚未完全闡明，尤其是神經元間的信號同步機制�，F有研究多聚焦單一因素，而突觸耦合、電磁場干擾、外部噪聲等多因素協同作用對神經元同步的影響仍是空白。此外，憶阻器（Memristor）作為兼具記憶和可變電阻特性的新型電子器件，在模擬神經突觸可塑性方面展現出潛力，但其在聽覺神經元網絡動態調控中的作用機制亟待探索。

為破解上述難題，中國國家自然科學基金資助的研究團隊在《Biomedical Signal Processing and Control》發表論文，構建了集成壓電陶瓷聲電轉換功能的耦合FitzHugh-Nagumo（FHN）神經元模型。該模型創新性引入磁通控制憶阻器（Flux-controlled memristor）和電感磁耦合，通過四階龍格-庫塔數值模擬，系統分析了突觸耦合強度、磁場強度、混沌電流輸入及噪聲對神經元膜電位同步的影響。

關鍵技術方法
研究采用FHN神經元電路模型，結合壓電陶瓷實現聲-電信號轉換；通過磁控憶阻器模擬突觸可塑性；利用電感耦合模擬神經元間電磁相互作用；采用Hamiltonian能量函數和誤差函數量化同步狀態；數值計算采用時間步長0.01、總時長2000單位的四階龍格-庫塔法。

研究結果

模型構建
基于生物耳蝸工作原理，設計包含聲電轉換模塊（壓電陶瓷）、神經元核心（FHN電路）和耦合模塊（憶阻器+電感）的集成系統。FHN模型將復雜電流簡化為快變量（膜電位V）和慢變量（恢復變量W），磁控憶阻器通過非線性關系φ=Q+k₁ρ-k₂ρ³調控磁通量。

結果與討論

1. 單神經元動態：磁通量閾值調控神經元放電模式，當外部磁場B>0.5時，系統出現混沌振蕩；憶阻器參數k₁和k₂通過改變非線性強度誘導雙穩態。
2. 耦合系統同步：磁耦合強度M=0.3時，誤差函數下降80%，膜電位同步性顯著提升；混沌電流輸入在特定頻率（f=0.05Hz）下可觸發相干共振。
3. 能量調控機制：Hamiltonian能量分析顯示，憶阻器使系統能量耗散降低40%，增強信號傳輸效率；噪聲強度D=0.1時，信噪比提升3倍。

結論與意義
該研究首次揭示磁耦合與憶阻器的協同效應對聽覺神經元同步的關鍵作用：磁耦合通過調節電感間磁場強度（B=0.2-0.8T）重構神經元放電節律；憶阻器的非線性記憶特性顯著提升系統動態響應帶寬。理論層面，為理解聽覺神經信息編碼提供新視角；應用層面，為設計高靈敏度人工耳蝸和抗干擾神經形態芯片奠定基礎。未來可拓展至多模態感知融合的類腦計算架構研究。

（注：全文數據與結論均源自原文，未添加外部引用；專業術語如FHN模型、Hamiltonian能量等均按原文格式保留上標/下標）