[发明专利]预制性突触的模拟方法及装置

说明书

本发明涉及神经生物学的采用电子电路来模拟神经突触的模拟方法及装置。本发明通过分析大脑皮层中某种神经突触的工作机制，以电子电路来模拟和实现这种“预制性突触”，能够完善更准确地模拟这种突触在大脑皮层如何形成长期记忆的工作机制及其作用，能够与配合工作的神经元模拟装置一起用于构建更完善的模拟神经网络。

技术领域

本发明为2014106066977号中国专利申请的分案申请，具体涉及神经生物学领域的、采用电子电路来模拟神经突触的突触模拟方法及其模拟装置。

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-Dependent Plasticity，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-term potentiation，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-termdepression，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。

现有突触的模拟技术，存在的问题是：

1、没有充分考虑到大脑不同区域和不同功能的神经元之间存在不同传递特性的突触，往往只采用同一特性的突触来构建模拟神经网络，造成无法精确构造和模拟一个复杂功能的神经网络。

2、尤其是现有突触模拟技术，基本是模拟已经发育成熟、具有正常突触传递效能的突触。而实际上大脑皮质中存在很多突触，在经过相关神经活动的协调刺激之前，只是一种“预制性”的突触，在胎儿和婴儿成长过程中自然发育生成的，这些“预制性”的突触尚未形成有效的突触传递效能，而在以后的学习记忆和思维过程，经过突触前后神经元的兴奋活动的协同刺激，才逐渐被“激活”发育成具备有效的突触传递效能。现有突触模拟技术并未注意和模拟这一过程。而申请人研究发现这一过程对于解释记忆、长时程记忆向长期记忆转化，解释皮层和海马的神经元在陈述性记忆形成过程中的不同作用是极其重要的。

发明内容

本发明的目的是公开一种预制性突触的模拟方法及装置，它们能够更完善地模拟大脑中特定神经突触的工作，尤其是能够模拟大脑皮质中神经网络形成长期记忆的工作机制。