[發明專利]合成和激發電子神經元

有效

• 申請號: 201110305539.4
• 申請日: 2011-09-30
• 公開（公告）號: CN102567784A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: J·V·亞瑟;G·S·科拉多;S·K·埃瑟;P·A·梅羅拉;D·S·莫德哈
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G06N3/06
• 分類號: G06N3/06
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 酆迅

技術領域

本發明總體上涉及神經運動和突觸(synaptronic)系統，并且更具體地，涉及以依賴于尖峰定時的塑性為基礎的神經運動和突觸系統。

背景技術

生物系統對通過它們的感測輸入所提供的信息施加命令。這一信息通常來自以如下時空圖案的形式，這些時空圖案包括具有相異空間和時間結構的局部化事件。這些事件出現于廣泛的多種空間和時間標度，而諸如腦部這樣的生物系統仍然能夠合成它們并且提取相關的多條信息。這樣的生物系統可以從有噪聲的時空輸入中迅速提取信號。

在生物系統中，在神經元的軸突與另一神經元上的樹突之間的接觸點稱為突觸，并且就突觸而言，兩個神經元分別稱為突觸前和突觸后。神經元在被經由突觸接收的充分輸入所激活時發射向以神經元為突觸前的那些突觸遞送的“尖峰”。神經元可以是“興奮的”或者“抑制的”。突觸電導是對突觸在突觸被突觸前尖峰激活時將對它的突觸后目標具有的影響數量的度量。突觸電導可以按照依賴于尖峰定時的塑性(STDP)根據突觸前和突出后神經元的相對尖峰時間隨時間改變。如果突觸的突觸后神經元在它的突觸前神經元激發之后激發，則STDP規則增加它的電導，而如果兩次激發的順序顛倒，則STDP規則減少突觸的電導。個人體驗的本質存儲于遍及腦部的數以萬億計的突觸的電導中。

神經運動和突觸系統也稱為人工神經網絡，它是一種這樣的計算系統，其允許電子系統實質上以與生物腦部的方式類似的方式工作。神經運動和突觸系統創建在與生物腦部的神經元大致上功能等效的處理元件之間的連接。神經運動和突觸系統可以包括關于生物神經元建模的各種電子電路。

發明內容

本發明的實施方式提供合成和激發電子神經元。在一個實施方式中，響應于接收外部尖峰信號而基于外部尖峰信號來更新代表神經元膜電勢的數字計數器。基于泄漏速率來衰減膜電勢。響應于膜電勢超過閾值而生成尖峰信號。膜電勢對應于生物神經元中的膜電勢(電壓)。

在另一實施方式中，提供一種混合模式數模電子神經元，其中響應于接收外部興奮尖峰信號而使用按位運算將數字膜電勢遞增一個增量，使得計數器中只有需要改變的位被修改。另外，響應于接收外部抑制尖峰信號而使用按位運算將膜電勢遞減一個減量，使得計數器中只有需要改變的位被修改。另外，使用模擬電阻器-電容器模型基于時間常數來衰減膜電勢。

在一個實施方式中，增加膜電勢是按照與乘以縮放參數的在時間步進中接收的興奮尖峰信號的數目相等的增量。在一個示例中，縮放參數被限制為2的倍數，用縮放因子縮放所接收的興奮尖峰的數目(即，相乘)通過移位運算來執行。

在一個實施方式中，減少膜電勢的減量等于在時間步進中接收的抑制尖峰的數目與一個縮放因子相乘。縮放參數被限制為2的倍數，使得所接收的抑制尖峰的數目與縮放因子的相乘通過移位運算來執行。

在另一實施方式中，提供一種事件驅動的電子神經元，其中在興奮事件類型出現時，將數字膜電勢遞增一個興奮突觸強度增量。在抑制事件類型時，將數字膜電勢遞減一個抑制突觸強度減量。在衰減事件類型出現時，按照泄漏強度減量來遞減數字膜電勢。

參照以下描述、所附權利要求和附圖將理解本發明的這些和其它特征、方面及優點。

附圖說明

圖1示出了根據本發明一個實施方式的神經運動和突觸系統的示圖，該系統具有將合成和激發電子神經元互連的縱橫陣列；

圖2A示出了根據本發明一個實施方式的線性泄漏合成和激發電子神經元的示例響應圖形；

圖2B示出了根據本發明一個實施方式的具有不應期(Refractory?Period)的凸衰減合成和激發電子神經元的示例響應圖形；

圖2C示出了根據本發明一個實施方式的具有不應期的凸衰減合成和激發以及基于電導的抑制電子神經元的示例響應圖形；

圖3A示出了根據本發明一個實施方式的線性泄漏合成和激發(LL-IF)電子神經元的框圖；

圖3B示出了根據本發明一個實施方式的具有不應期的凸衰減近似合成和激發(CD-ID?w/RP)電子神經元的框圖；

圖3C示出了根據本發明一個實施方式的不應期和基于電導的抑制(CD-IF?w/RP和CB-I)電子神經元的框圖；

圖3D示出了根據本發明一個實施方式的不應期和基于電導的突觸(CD-IF?w/RP和CB-S)電子神經元的框圖；

圖4示出了根據本發明一個實施方式的響應于與圖2C中相同的刺激串列的抑制電導值的示例圖形；