Merkezi desen üreteçlerinin programlanabilir platformlarda gerçekleştirilmesi

Abstract

Merkezi desen üreteçleri (MDÜ), hem omurgasız hem de omurgalı hayvanlarda bulunan ve ritmik girdiler almadan ritmik sinirsel aktivite kalıpları üretebilen sinir ağlarıdır. MDÜ'ler nefes alma, yürüme, çiğneme ve sindirim gibi birçok temel ritmik aktivitenin temelini oluşturmaktadır. Literatürde MDÜ'ler çeşitli platformlarda gerçeklenmiştir. Bu bağlamda, literatürde bulunan çalışmalara bir alternatif olması açısından FPAA (Field Pragrammable Analog Array) elemanları ile yeniden programlanabilir olarak gerçeklenmiştir. Yeniden programlanabilirlik özelliğinin yanı sıra FPAA elemanları tasarımların karmaşıklığını azaltan esnek tasarım imkanı, gerçek zamanlı ayarlanabilirlik ve yazılımla kontrol edilebilirlik gibi özellikleriyle de kolaylık sağlamaktadır.Bu tez çalışmasında, öncelikle sinir hücrelerinin yapısı, zar potansiyelinin oluşumu ve sinir hücreleri arasındaki bilgi iletimi gibi elektrofizyolojik özellikleri hakkında bilgiler sunulmuştur. Daha sonra Merkezi Desen Üreteçleri hakkında tarihte yapılmış çalışmalar incelenmiştir. Kullanılan FPAA donanımı ve yazılı tanıtılmıştır. Literatürde kabul görmüş çeşitli sinir hücresi modellerinin matematiksel yapıları incelenmiş, dijital ortamda benzetimleri yapılmış ve FPAA donanım gerçekleştirimleri yapılmıştır. Son olarak MDÜ ağ yapıları için elektriksel sinaptik kuplaj kullanılarak, Hudgkin–Huxley hücresi, FitzHugh–Nagumo hücresi, Hindmarsh–Rose hücresi, Izhikevich hücresi, Morris–Lecar hücresi, Matsuoka osilatörü ve CNN ağ ile farklı hücre sayıları için MDÜ benzetimleri MATLAB/SIMULINK programında yapılmış ve FPAA donanım gerçekleştirimleri yapılmıştır.

Central pattern generators (CPGs) are neural networks found in both vertebrate and invertebrate animals that can generate rhythmic patterns of neural activity without receiving rhythmic inputs. CPGs form the basis of many rhythmic activities such as walking, breathing, chewing and digestion. In the literature, CPGs have been implemented on various platforms. In this context, it has been implemented as reprogrammable with FPAA (Field Programmable Analog Array) devices in order to be an alternative to the studies in the literature. In addition to its reprogrammability feature, FPAA elements also provide convenience with features such as flexible design, real-time adjustability and software controllability that reduce the complexity of designs.In this thesis, information about the electrophysiological properties of nerve cells such as the structure of nerve cells, the formation of membrane potential and the transmission of information between nerve cells are presented. Then, the previous studies about Central Pattern Generators were examined. The FPAA hardware and software used in this study are introduced. The mathematical structures of various neuron models accepted in the literature were examined, their simulations were made in digital environment and their implementations were made with FPAA hardware. By using electrical synaptic coupling for CPG network structures, CPG simulations for different cell numbers with Hudgkin–Huxley cell, FitzHugh–Nagumo cell, Hindmarsh–Rose cell, Izhikevich cell, Morris–Lecar cell, Matsuoka oscillator and CNN network were made in MATLAB/SIMULINK program and Implemented on FPAA hardware.