[发明专利]具有不同工作形态的神经元模拟方法及装置

说明书

本发明涉及神经生物学的用于模拟大脑神经元的模拟方法及装置。本发明通过研究分析大脑神经元的工作过程的一些细节特征，以电子电路来模拟和实现这些细节特征，从而能够更完善和更准确地模拟神经元爆发动作电位的工作过程，以及能够构造性能更优的神经模拟网络。

技术领域

本发明为2014106066977号中国专利申请的分案申请，本发明涉及神经生物学领域的用于模拟大脑皮层、颞叶等区域的中间神经元的模拟方法及模拟装置。

背景技术

大脑的工作机制是最重要的科学研究之一。目前的研究揭示大脑是依靠神经元及神经元之间互相连结的突触来实现信息的传递和处理，也在一定程度上揭示了单个的神经元及突触的很多结构特征和工作细节，但对于神经元及其突触到底如何通过连接关系和信号处理来实现大脑的高级功能，便仍是科学难题。这主要是因为单个的神经元和突触可以通过离体的神经元解剖和显微镜来观察其结构和工作，但离体的单个或多个神经元并无法组成信号处理通路，而我们又无法从微观角度来观察到生物整个活体大脑的工作过程。所以，即使有研究公布了神经元及突触的具体结构特征和工作特点，但对于它们在整个神经网络中起什么作用，如何起作用，如何与其他神经元发生关系，尤其是如何构成和实现宏观上的大脑功能，则往往仍得不到完整又合理的解释。

为了模拟演示脑神经的工作，以及由此构造实现具有记忆和思维功能的人工智能，目前越来越多的研究采用建立数学仿真模型或神经元模拟装置的方法来模仿脑神经的工作。尤其是近几年，基于突触的STDP 特性的突触可塑性的发现，及基于这种突触STDP可塑性的学习记忆模型的提出，很多申请人提交了很多神经元及突触模拟技术的专利申请。

目前采用电子电路的神经元模拟技术，一般由输入膜积分电路(用于模拟神经元的膜电位整合)、具有阈值触发的阈值触发电路(用于模拟动作电位的阈值触发)、脉冲输出电路(用于模拟轴突输出的动作电位的脉冲输出)等组成。神经突触的模拟技术，一般由突触前膜输入电路、突触后膜输出电路、和具有突触传递特性的模拟电路等构成，其中突触传递特性模拟电路能够按照化学突触传递的特性，尤其是突触的符合STDP特性的可塑性，通过输入信号来调整输出信号。突触可塑性的STDP特性，Spike Timing-DependentPlasticity，即时序依赖的突触可塑性。目前的理论认为：突触传递的STDP可塑性，也即突触的传递效能，跟突触前后神经元的动作电位的锋电位的时序相关，如果突触前神经元的锋电位早于突触后神经元的锋电位，则产生突触传递长时程增强(long-termpotentiation，即LTP)现象，而且锋电位的延迟越小则突触传递增强效应越大，(为了便于叙述，我们可把这种情况称为其锋电位信号具有LTP特征)；如果突触前神经元的锋电位慢于突触后神经元的锋电位，则产生突触传递长时程抑制(long-term depression，即LTD)现象，而且锋电位的延迟越小则突触传递减弱效应越大，(为了便于叙述，我们可把这种情况称为其锋电位信号具有LTD特征)。显然，锋电位信号的LTP特征和LTD特征，都属于突触传递的STDP可塑性。

现有各种神经元、突触及其神经网络的模拟技术，存在的问题是：

1、目前的神经元模拟技术更多集中在感觉神经元的模拟上，而对于中间神经元的模拟技术不多，而显然，涉及记忆和思维的中间神经元，对于揭示大脑的工作机制更为重要。

2、较多地注意和模拟神经元对输入信号的整合、神经元的触发和动作电位的模拟，而对于神经元动作电位的不同亚型，特别是对大脑为什么会爆发不同亚型的动作电位、形成不同亚型动作电位的实质性原因、及不同亚型动作电位的形成过程，缺乏认识和重视，而申请人发现这些细节在模拟同一神经元同时具有思维和记忆两种工作状态时是极其重要的。

3、在神经元模拟技术上，更多注重于对“轴突—树突”型兴奋性突触输入信号的整合，而对“轴突—胞体”和“轴突—轴突”型的调制性突触输入信号的处理过程较少，而这对于构建多通道多信息互相调制的复杂神经网络，特别是对于模拟大脑的高级功能，比如经验或情绪(快乐、恐惧、犒赏等)对神经元信息处理的影响，是非常重要的。