[发明专利]用于使用STDP 和多巴胺信令的三忆阻器突触的方法和系统

说明书

技术领域

概括地说，本发明的某些实施例涉及神经系统工程，具体地说，涉及设计支持尖峰时序相关的可塑性（Spike-Timing-Dependent Plasticity，STDP）和多巴胺信令的三忆阻器突触。

背景技术

近年来，神经系统工程已经备受关注。受到具有极好的灵活性和功率效率的生物大脑的启发，可以在很多应用（例如，模式识别、机器学习和运动控制）中使用神经系统。实际的神经系统实现的最大挑战之一是硬件密度。神经元和突触是神经系统的两个基本组件，其数量可能高达数十亿。举例说明，人类大脑大约具有10¹¹个神经元，并且突触的数量要大10³到10⁴倍。

因此，为了实现实际的神经系统，需要突触硬件是非常面积和功率高效的。近年来，已经研究了忆阻器元件以用于实现突触，这是因为忆阻器元件的交叉式架构能够提供非常密集的硬件解决方案。在现有技术中提出了一种采用脉冲宽度调制（PWM）方案的单个忆阻器，以用于实现具有尖峰时序相关的可塑性（STDP）功能的突触。为了得到奖励驱动学习型神经系统，突触权重可能需要由STDP机制和多巴胺信号两者控制。然而，在多巴胺信号控制的情况下，突触实现可能变得非常复杂并且不是面积/功率高效的。

发明内容

本发明的某些实施例提供了一种用于突触前神经元电路与突触后神经元电路之间的连接的突触电路。所述电路通常包括用于调节所述连接的强度的多个忆阻器，其中，后面跟着突触后神经元电路的尖峰的突触前神经元电路的尖峰触发了所述忆阻器中的第一忆阻器的阻抗的减小从而导致所述连接的强度增大，在所述强度增大期间，所述忆阻器中的第二忆阻器连接到所述第一忆阻器，并且在由于所述尖峰而引起的所述强度增大之前，改变了第二忆阻器的阻抗，并且后面跟着突触前神经元电路的另一尖峰的突触后神经元电路的另一尖峰触发了所述第一忆阻器的阻抗的增大从而导致连接的强度减小，在强度减小期间，所述忆阻器中的第三忆阻器连接到所述第一忆阻器，并且在由于所述其它尖峰而引起的所述强度减小之前，改变了所述第三忆阻器的阻抗。

本发明的某些实施例提供了一种用于控制突触前神经元电路与突触后神经元电路之间的突触连接的方法。所述方法通常包括：当所述突触前神经元电路的尖峰后面跟着所述突触后神经元电路的尖峰时，通过减小所述突触连接内的多个忆阻器中的第一忆阻器的阻抗来增大所述连接的强度，其中，在所述强度增大期间，所述忆阻器中的第二忆阻器连接到所述第一忆阻器，并且在由于所述尖峰而引起的所述强度增大之前，改变了所述第二忆阻器的阻抗；以及当所述突触后神经元电路的另一尖峰后面跟着所述突触前神经元电路的另一尖峰时，通过增大所述第一忆阻器的阻抗来减小所述连接的强度，其中，在所述强度减小期间，所述忆阻器中的第三忆阻器连接到所述第一忆阻器，并且在由于所述其它尖峰而引起的所述强度减小之前，改变了所述第三忆阻器的阻抗。

本发明的某些实施例提供了一种用于控制突触前神经元电路与突出后神经元电路之间的突触连接的装置。所述装置通常包括：用于当所述突触前神经元电路的尖峰后面跟着所述突触后神经元电路的尖峰时，通过减小所述突触连接内的多个忆阻器中的第一忆阻器的阻抗来增大所述连接的强度的模块，其中，在所述强度增大期间，所述忆阻器中的第二忆阻器连接到所述第一忆阻器，并且在由于所述尖峰而引起的所述强度增大之前，改变了所述第二忆阻器的阻抗；以及用于当所述突触后神经元电路的另一尖峰后面跟着所述突触前神经元电路的另一尖峰时，通过增大所述第一忆阻器的阻抗来减小所述连接的所述强度的模块，其中，在所述强度减小期间，所述忆阻器中的第三忆阻器连接到所述第一忆阻器，并且在由于所述其它尖峰而引起的所述强度减小之前，改变了所述第三忆阻器的阻抗。

附图说明

为了可以详细地理解本发明的上述特征的方式，针对上面的简要概括参考各个实施例给出了更具体的描述，在附图中对这些实施例中的一些实施例进行了说明。然而，应该注意的是，由于描述可以准许其它等同有效的实施例，因此附图仅示出了本发明的某些典型的实施例，因此不应被认为对其范围进行限制。

图1示出了根据本发明的某些实施例的示例性神经系统。

图2示出了根据本发明的某些实施例作为突触前尖峰（pre-synaptic spike）与突触后尖峰（post-synaptic spike）的相对时序的函数的突触权重变化的示例性曲线图。