Переключательные элементы с S-образной вольтамперной характеристикой в моделях нейроподобных осцилляторов.

Авторы работы : Борисков П.П. и Величко А.А.

Исследование, выполненное при поддержке РНФ (проект 16-19-00135), опубликовано в журнале Electronics

Аннотация:
В работе впервые представлены схемные решения на основе переключательного элемента с S-образной вольтамперной характеристикой, реализующие классические модели ФитцХью-Нагумо и ФитцХью-Ринцеля. Предложены упрощенные электрические схемы, позволяющие моделировать интегро-зажигающий нейрон, и берстовый режим осцилляций с эмуляцией импульсных паттернов рецепторов холода млекопитающих. Исследована работа схем на примере экспериментальных ВАХ NbO2 переключателя с устойчивым участком отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) и VO2 переключателя с неустойчивым ОДС, в том числе с учетом температурных зависимостей пороговых характеристик. Результаты работы являются актуальными для современной нейроэлектроники, имеют практическую значимость для внедрения известных нейродинамических моделей в схемотехническое исполнение и создание интерфейсов мозг-компьютер. Предложенные системы дифференциальных уравнений с кусочно-линейно аппроксимацией ВАХ S-типа могут представлять научный интерес для дальнейшего аналитического и численного исследования и разработки
нейронных сетей с искусственным интеллектом.

Популярное изложение ТАСС

На сайте статьи доступны файлы LTspice и инструкция по работе с ними, для тестирования нейроморфных схем на компьютере. Смотрите ссылку в разделе Supplementary Material.

Ниже приведен screenshot программы моделирования LTspice.

В опорном вузе Карелии проведена научная работа, посвященная разработке схем, реализующих классические нейроморфные модели
ФитцХью-Нагумо и ФитцХью-Ринцеля , на основе переключательных элементов с S-образной вольтамперной характеристикой.

В начале 1960-х годов на базе уравнений Ходжкина-Хаксли, описывающих поведение нервной клетки, Ричард ФитцХью (Richard FitzHugh) предложил простое и элегантное феноменологическое описание основных особенностей динамики нейрона, упрощающее изучение натриевой и калиевой проводимости при различных смещениях мембранного потенциала. Впоследствии, система уравнений Р. ФитцХью получила очень широкое распространение и в настоящее время в большей степени известна как модель ФитцХью-Нагумо. Вклад японского электроинженера Нагумо (Jin-Ichi Nagumo) заключался в том, что в тех же 60-х годах на базе туннельного диода, c N-образной вольтамперной характеристикой (ВАХ), им была построена соответствующая эквивалентная схема. Эквивалентность подразумевает идентичность системы дифференциальных уравнений, описывающих схему и нейронную модель. Модель ФитцХью-Нагумо – имеет две основные переменные качественно описывающие способность нервной клетки генерировать электрические импульсы, это переменная динамики мембранного потенциала и переменная восстановления.  В силу своей низкой размерности, эта модель не может описать формирование сложных колебаний мембранного потенциала нервных клеток, наблюдающихся в экспериментах. В 1987 году Джон Ринцель (John Rinzel) модифицировал систему ФитцХью-Нагумо, добавив еще одну переменную, медленно изменяющуюся во времени. В результате этих преобразований получилась модель, в рамках которой стало возможно изучение такой специфической реакции нервных клеток как регулярная или хаотическая генерация берстов, или другими словами пачек импульсов, следующих с определённым интервалом (см. рисунок). И вот, в работе физиков ПетрГУ было показано, как можно создать эквивалентные схемы систем уравнений ФитцХью-Нагумо и ФитцХью-Ринцеля на основе элементов с S-образной ВАХ, что значительно расширяет базу электронных компонентов на основе которых могут быть созданы нейроморфные схемы. Для тех, кто не знаком с понятием S-образной и N-образной ВАХ можно пояснить, что буква отражает именно форму ВАХ и с увеличением напряжения в первом случае наблюдается резкое снижение сопротивления структуры, а во втором резкое увеличение сопротивления (см. рисунок).

Кроме того, ученые предложили использовать переключательные структуры на основе двуокиси ванадия в разработанных схемах для эмуляции рецепторов холода млекопитающих (см. рисунок). Рецепторы холода, это такая часть нейронной системы, которая находится, например, на коже, и ответственна за генерацию нейронных импульсов специальной формы, в зависимости от температуры рецептора. Впоследствии эти импульсы идут в более высокоорганизованные отделы нейронной системы, где обрабатываются действия на изменения температуры. Обычно такие рецепторы генерируют периодические всплески импульсной активности, когда импульсы то генерируются с высокой частотой, то пропадают, такое поведение, как уже упоминалось, называется берстовым режимом осцилляций или пачечной активностью нейрона. И, как известно из опытных данных, с увеличением температуры рецептора наблюдается снижение временных интервалов между пачками импульсов, и в итоге они могут слиться в периодическую высокочастотную последовательность.  Подобное поведение авторы наблюдали на искусственно созданных нейронах, где сенсором температуры служила структура на основе двуокиси ванадия, которая одновременно являлась и элементом с S-образной ВАХ. Известно, что структуры на основе двуокиси ванадия давно используются в болометрических приемниках или по-другому, в приборах ночного видения, в связи с высокой чувствительностью их сопротивления к изменению температуры, наводимой инфракрасным излучением, исходящим от нагретых объектов. В работе использовалось свойство оксиднованадиевых переключательных структур активно менять параметры, при изменении температуры, поэтому они могут быть идеальными кандидатами для реализации нейроморфных схем рецепторов холода. Такие устройства могут найти применение для построения биоподобных роботов, а также для создания нейронных имплантов для воссоздания утраченной тепловой чувствительности.

Кроме того, схемы, реализующие нейроморфные модели Фитцью-Нагумо и Фитцью-Ринцеля, используются для создания интерфейсов мозг-компьютер. Основная идея в том, что внешнее воздействие на нейроны более эффективно, если оно имеет форму реальных нейронных сигналов, которую как раз и можно воссоздать при работе нейроморфных схем. Воздействие может быть, как оптическое, так и электрическое. Сейчас нейроинтерфейсами занимается много научных групп, среди которых широко известная фирма Нейролинк Илона Маска, где они продвигают идею непосредственного вживления тонких проводящих нитей вблизи нейрона, это дает возможность как снимать сигнал, так и подавать его на нейрон. Схемы, разработанные авторами статьи, могут быть использованы для подобных воздействий. Результаты работы являются актуальными для современной нейроэлектроники, имеют практическую значимость для внедрения известных нейродинамических моделей в схемотехническое исполнение и создания нейроинтерфейсов. Предложенные системы дифференциальных уравнений с кусочно-линейно аппроксимацией вольт-амперных характеристик S-типа могут представлять научный интерес для дальнейшего аналитического и численного исследования и разработки нейронных сетей с искусственным интеллектом.

104 просмотров всего, 1 просмотров сегодня