[發明專利]一種神經元電路演化設計方法

有效

• 申請號: 202011072974.2
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112182974B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 滿夢華;馬貴蕾
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F30/392;G06N3/063
• 代理公司: 石家莊輕拓知識產權代理事務所(普通合伙) 13128
• 代理人: 郭明月

本發明公開了一種神經元電路演化設計方法：根據演化硬件對電子元器件進行染色體編碼，生成N組候選電路；解碼染色體，將解碼后的每組染色體放入演化子電路中，生成神經元離子通道等效電路的網表文件；利用電路仿真軟件對網表文件進行模擬；利用適應度函數對每個染色體進行適應度評估，判斷當代最佳染色體組中適應度最高的單個染色體的適應度是否達到期望值或演化代數是否達到預設值，若是，則演化結束，若否，則將當代最佳染色體組進行變異操作；將變異后的當代最佳染色體組和當代最佳染色體組重新放入演化子電路中，進行下一次迭代。本發明能從基本的電子元器件演化出電路，這些電子元器件可以精確地模擬離子通道的行為。

技術領域

本發明涉及模仿生物神經元領域，尤其涉及一種神經元電路演化設計方法。

背景技術

生物神經系統是由大量神經元細胞組成的一種具有高度并行分布處理和復雜反饋通路的非線性系統，神經元產生的動作電位脈沖序列用于表達、傳遞神經信息。長期以來，模擬電路一直用于對生物神經元的電特性進行建模。例如，經典的霍奇金-赫克斯利(Hodgkin-Huxley)模型代表嵌入神經元細胞膜中的離子通道，作為與電池和電阻器并聯的電容器。但是，為了將模型的預測與他們的經驗電生理數據相匹配，霍奇金和赫黎使用復雜的耦合微分方程組描述了非線性電阻器，這是一項著名的壯舉，需要非凡的創造力和洞察力。

目前較為成熟的CMOS集成電路設計技術為神經電路的設計提供了有力的支撐。例如，歐盟支持的SpiNNaker和BrainScaleS、斯坦福大學的Neurogrid、IBM公司的TrueNorth、高通公司的Zeroth以及中科院計算所研制的“寒武紀”芯片都是典型代表。但是，設計更加符合生物特性和動力學特性的神經形態電路，仍是當前類腦智能研究領域的一個重要方向。

發明內容

本發明為了解決以上問題，提供了一種神經元電路演化設計方法，本專利僅需要神經元動作電位的電生理測試數據或者數學模型的數值計算數據，就能從基本的電子元器件演化出電路，這些電子元器件可以精確地模擬離子通道的行為。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種神經元電路演化設計方法，根據演化硬件對電子元器件進行染色體編碼，生成N組候選電路，其中候選電路即為染色體；

解碼染色體，將解碼后的每組染色體放入演化子電路中，生成神經元離子通道等效電路的網表文件；

利用電路仿真軟件對網表文件進行模擬，并輸出波形數據；

利用適應度函數對每個染色體進行適應度評估，按照適應度由高到低排序選擇出前N/2組染色體，并將該N/2組染色體保存為當代最佳染色體組；

判斷當代最佳染色體組中適應度最高的單個染色體的適應度是否達到期望值或演化代數是否達到預設值，若是，則演化結束，若否，則將當代最佳染色體組進行變異操作；

將變異后的當代最佳染色體組和當代最佳染色體組重新放入演化子電路中，進行下一次迭代。

可選的，將電子元器件進行染色體編碼的方法包括：

將電子元器件的類型作為基因的首段；

將該電子元器件的參數作為基因的中段；

將該電子元器件的端口數量連接端作為基因的尾段；

其中，首段、中段和尾段構成一個完整的基因單體，多個基因單體相連構成一個染色體，不同數量的基因單體，組成不同長度的染色體。

可選的，其中，基因的首段即電子元器件的類型都與一個唯一的數字標識符關聯，電子元器件分別根據表1中的器件參數隨機生成一個基因單體；

表1：