摘要

生物神經(jīng)元通過多樣的時間性脈沖表達(dá)實現(xiàn)高效的通信和神經(jīng)活動調(diào)節(jié)。然而，現(xiàn)有的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)主要使用簡化的神經(jīng)元模型，因其在模擬這些生物脈沖模式時的高成本，導(dǎo)致脈沖行為受到限制。本文提出了一種緊湊且可重構(gòu)的神經(jīng)元設(shè)計，利用基于 NbO2 的脈沖單元的內(nèi)在動力學(xué)和電化學(xué)記憶（ECRAM）中的優(yōu)異可調(diào)性，模擬生物神經(jīng)元中的快慢動力學(xué)。ECRAM 的電阻有效調(diào)節(jié)了膜電位的時間動態(tài)，促進(jìn)了各種生物合理放電模式（如相位性脈沖和爆發(fā)性脈沖）的靈活重構(gòu)，并展示了在變化環(huán)境中的自適應(yīng)脈沖行為。我們使用該生物合理神經(jīng)元模型構(gòu)建了具有爆發(fā)性神經(jīng)元的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并展示了比簡化模型更高的分類精度，表明該模型在更生物可行的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

研究領(lǐng)域：生物可行性，神經(jīng)形態(tài)計算，尖峰神經(jīng)元，NbO2，電子化學(xué)存儲器，可重構(gòu)性

論文題目：Bio--plausible reconfigurable spiking neuron for neuromorphic computing 發(fā)表時間：2025年2月5日 論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr6733 期刊名稱：Science Advance

神經(jīng)形態(tài)計算旨在模擬生物大腦的神經(jīng)元和突觸行為，以提高智能系統(tǒng)的認(rèn)知能力和處理效率。然而，模擬大腦功能的復(fù)雜性使得全方位的生物模擬變得困難。傳統(tǒng)神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)多采用簡化的神經(jīng)元模型，導(dǎo)致信息損失。近期發(fā)表在Science Advance的一篇研究提出了一種新型可重構(gòu)的尖峰神經(jīng)元設(shè)計，利用NbO2尖峰單元和電子化學(xué)存儲器，成功模擬了生物神經(jīng)元中的快慢動態(tài)。

圖 1. 面向神經(jīng)形態(tài)計算的生物合理可重構(gòu)脈沖神經(jīng)元。（A）支持多種脈沖模式的可重構(gòu)芯片示意圖。（B）模擬快慢神經(jīng)元動力學(xué)的生物逼真神經(jīng)元電路設(shè)計。（C）神經(jīng)元電路的核心組件包括非易失性 ecRAM 存儲設(shè)備和易失性 NbO2 設(shè)備。（D）通過不同的 ecRAM 電阻在四種脈沖模式之間進(jìn)行重構(gòu)。所有情況下均使用 4 V 的恒定輸入電壓偏置。

方法與實現(xiàn)

該研究采用NbO2尖峰單元與電子化學(xué)存儲器 （ECRAM） 相結(jié)合，構(gòu)建出一種緊湊的、可重構(gòu)的神經(jīng)元電路。NbO2尖峰單元模擬了生物神經(jīng)元中類似K+和Na+的電壓門控離子通道，通過電容充電提高NbO2器件的電壓偏置，誘導(dǎo)閾值開關(guān)行為。ECRAM則作為慢速子系統(tǒng)的內(nèi)部變量，與NbO2配合實現(xiàn)尖峰動態(tài)的調(diào)節(jié)。

這種電路的設(shè)計包括兩個級聯(lián)的子電路，分別負(fù)責(zé)快動態(tài)和慢動態(tài)的模擬。快子電路主要產(chǎn)生輸出尖峰，而慢子電路則對快動態(tài)進(jìn)行調(diào)制。通過調(diào)節(jié)ECRAM的電阻，該電路實現(xiàn)了不同尖峰模式的重構(gòu)，如快尖峰、自適應(yīng)尖峰、階段性尖峰和爆發(fā)性尖峰。這種可重構(gòu)性使得相同電路在保持輸入幅值不變的情況下，能夠展現(xiàn)多樣的生物尖峰行為。

圖 2. 神經(jīng)元電路的脈沖動態(tài)。(A) 電路包含快速子電路（綠色）和慢速子電路（橙色）。沒有慢子電路的電路實現(xiàn)了LIF神經(jīng)元。(B) liF神經(jīng)元在穩(wěn)定輸入刺激下的脈沖行為。輸入電壓為2.8V。(C) liF神經(jīng)元對不同輸入幅度表現(xiàn)出頻率編碼。(D) 輸入幅度與放電頻率之間的相關(guān)性。觀察到一些脈沖頻率的變化，這些變化與NbO2器件的開關(guān)電壓變化有關(guān)。(E) 在恒定輸入刺激3.8V下，雙級神經(jīng)元電路表現(xiàn)出自適應(yīng)脈沖行為。(F) 兩個爆發(fā)周期中電路偏置的演化；C2電容的充電使神經(jīng)元進(jìn)入不應(yīng)期，在CH2 NbO2的激活下，C2被放電并將神經(jīng)元恢復(fù)到脈沖模式。(G) 神經(jīng)元對不同輸入幅度的爆發(fā)放電行為。

圖 3. 使用ECRAM重新配置神經(jīng)元電路。(A) 神經(jīng)元電路中快通道和慢通道之間相互作用的示意圖。(B) 在不同神經(jīng)元模式下，神經(jīng)元輸出和C2電位的時間動態(tài)。(C) 通過對ECRAM進(jìn)行編程，將其電阻調(diào)節(jié)到不同的水平，進(jìn)而調(diào)節(jié)C2偏置。(D) 不同ECRAM電阻和輸入電壓幅度下的脈沖模式。

研究結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，使用這種可重構(gòu)神經(jīng)元設(shè)計的尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （SNNs） 在分類任務(wù)中表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)簡化模型的精確度。尤其是在爆發(fā)模式下，生物合理神經(jīng)元在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （ANN） 轉(zhuǎn)換的SNNs和直接訓(xùn)練的SNNs中均顯示出更好的性能。此外，這種設(shè)計在自適應(yīng)模式下能夠有效地編碼輸入光信號，通過調(diào)節(jié)發(fā)射率適應(yīng)外部視覺刺激，類似于人類視網(wǎng)膜對不同光照條件的響應(yīng)。

圖 4. 由生物合理神經(jīng)元模擬的自適應(yīng)視覺。（A）人類視網(wǎng)膜中自適應(yīng)視覺編碼。（B）通過本研究神經(jīng)元對變化光強(qiáng)度的響應(yīng)模擬出的暗適應(yīng)和明適應(yīng)行為。（C）通過用變化的光強(qiáng)度照亮馬的圖像，使用本研究生物合理性神經(jīng)元模擬自適應(yīng)視覺。

這種可重構(gòu)神經(jīng)元設(shè)計為構(gòu)建更具生物可行性的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)提供了可能性，有望在未來的神經(jīng)形態(tài)芯片中應(yīng)用，擴(kuò)展其功能性并提升計算效率，從而推動人工智能的發(fā)展。

彭晨| 編譯

計算神經(jīng)科學(xué)讀書會

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