At present one of the most urgent tasks of interdisciplinary science is the design and research of neuromorphic devices. Such devices are most often used to create systems for processing various kinds of information with algorithms similar to the data processing algorithms of the human brain or the brain of animals. The development of such neuromorphic electronics will allow computing devices and information processing systems to be built based on new principles and with a high level of parallelism [1].
Neuromorphic devices require the development of electronic components: neurons and synapses.
The paper [2] proposed a phase-locked loop system with a bandpass filter in the control circuit. A more detailed study of the mathematical model of such a system has shown missing equilibrium states corresponding to the synchronization mode of the phase-locked loop system, but there are self-oscillating modes of varying complexity. Self-oscillations observed in such system are similar to spike and burst oscillation of the neuron’s membrane potential.
Hardware implementation [3] of the considered neuron like generator in the form of an electronic device demonstrated the possibility of reproducing the same dynamic modes as in the mathematical model [2].
A fundamental disadvantage of the proposed model [2] and its experimental implementation [3] – the absence of an excitable mode (by excitable we mean a dynamic system with a stable equilibrium state and a periodic pseudoorbit of large amplitude, passing in the vicinity of the equilibrium state), when pulse generation would only respond to external disturbance. At the same time, the vast majority of brain neurons are in the excitable subthreshold mode, and their generation is primarily caused by presence of multiple connection.
One of the tasks of this work was to modification the existing model of the neuron-like generator in order to preserve the known dynamics and add a mode of excited oscillator.
While solving this problem, a modification of the neuron like generator based on the phase-locked loop system with a band-pass filter in the control circuit was proposed and implemented as an electronic circuit. The modification eliminates the basic drawback of the initial model – inability to work in the excitable mode. The new dynamic mode with the absence of self-oscillations was obtained by adding an electronically controlled switch between the low- and high-pass filters in the control loop.
Existence of the excitable mode and the existence of previously known self-oscillating modes of varying complexity was demonstrated experimentally: spike, burst, and chaotic modes was confirmed [4].
Another task in this work was to explore the dynamics of two neuron-like generators with memristive coupling.
A second-order memristor model based on Chua's memristor was used as a model of synaptic connection.
When solving this problem, nonlinear frequency dependences of the conductivity of the memristive element were found. This dependence has the same character for self-oscillating modes of varying complexity: spike and burst.
In addition, it was demonstrated synchronization of two neuron-like generators connected through a memristive element. Synchronization of two coupled neuron-like generators is interim in nature and strongly depends on the current state of the memristive element [5].
В настоящее время одной из наиболее актуальных задач междисциплинарной науки является разработка и исследование нейроморфных устройств. Такие устройства чаще всего используются для создания систем обработки разного рода информации с алгоритмами, аналогичными алгоритмам обработки данных мозгом человека или мозгом животных. Развитие такой нейроморфной электроники позволит строить вычислительные устройства и системы обработки информации на новых принципах и с высокой степенью параллелизма [1].
Нейроморфные устройства требуют разработки электронных компонентов: нейронов и синапсов.
В работе [2] предложена система фазовой автоподстройки частоты с полосовым фильтром в цепи управления. Более детальное изучение математической модели такой системы показало отсутствие состояний равновесия, соответствующих режиму синхронизации системы фазовой автоподстройки частоты, но имеются автоколебательные режимы различной сложности. Автоколебания, наблюдаемые в такой системе, аналогичны спайковым и берстовым колебаниям мембранного потенциала нейрона.
Аппаратная реализация [3] рассматриваемого нейроноподобного генератора в виде электронного устройства продемонстрировала возможность воспроизведения тех же динамических режимов, что и в математическая модель [2].
Принципиальный недостаток предложенной модели [2] и ее экспериментальной реализации [3] – отсутствие возбудимого режима (под возбудимой понимается динамическая система с устойчивым состоянием равновесия и периодической псевдоорбитой большой амплитуды, нахоящейся вблизи состояния равновесия), когда генерация импульсов будет только откликом на внешнее возмущение. В то же время подавляющее большинство нейронов головного мозга находится в возбудимом подпороговом режиме, а их генерация в первую очередь обусловлена наличием множественной связи.
Одной из задач данной работы была модификация существующей модели нейроноподобного генератора с целью сохранения известной динамики и добавления режима возбуждаемого осциллятора.
При решении этой задачи была предложена и реализована в виде радиотехнической схемы модификация нейроноподобного генератора на основе системы фазовой автоподстройки частоты с полосовым фильтром в цепи управления, устраняющая основной недостаток исходной модели – неспособность работать в возбудимом режиме. Новый динамический режим с отсутствием автоколебаний был получен за счет введения в схему управления электронно-управляемого переключателя между фильтрами нижних и верхних частот.
На экспериментально полученных данных показано существование возбудимого режима и подтверждено существование ранее известных автоколебательных режимов различной сложности: спайкового, пачечного и хаотического режимов [4].
Еще одной задачей в этой работе было исследование динамики двух нейроноподобных генераторов с мемристивной связью.
В качестве модели синаптической связи использовалась модель мемристора второго порядка, основанная на мемристоре Чуа.
При решении этой задачи были обнаружены нелинейные частотные зависимости проводимости мемристивного элемента. Эта зависимость имеет одинаковый характер для автоколебательных режимов разной сложности: спайков и берстов.
Кроме того, была продемонстрирована синхронизация двух нейроноподобных генераторов, связанных через мемристический элемент. Синхронизация двух связанных нейроноподобных генераторов носит временный характер и сильно зависит от текущего состояния мемристивного элемента [5].