Динамика двух нейроноподобных генераторов с мемристивной связью
- Авторы: Большаков Д.И.1, Мищенко М.А.2, Белов А.И.2, Матросов В.В.2, Михайлов А.Н.2
-
Учреждения:
- Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
- Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 790-793
- Раздел: Материалы конференции
- Статья получена: 14.11.2023
- Статья одобрена: 18.11.2023
- Статья опубликована: 15.12.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623344
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623344
- ID: 623344
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
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].
Полный текст
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 математическая модель [2].
Принципиальный недостаток предложенной модели [2] и её 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 находятся 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 счёт 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 [4].
Ещё 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 данной задачи обнаружены нелинейные частотные зависимости проводимости мемристивного элемента. Эта зависимость имеет одинаковый характер для автоколебательных режимов разной сложности: спайков и берстов.
Кроме того, продемонстрирована синхронизация двух нейроноподобных генераторов, связанных через мемристический элемент. Эта синхронизация носит временный характер и сильно зависит от текущего состояния мемристивного элемента [5].
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Исследование выполнено в рамках научной программы Национального центра физики и математики, направление № 9 «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах».
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
Д. И. Большаков
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Автор, ответственный за переписку.
Email: denis.bolhakov@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
М. А. Мищенко
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: denis.bolhakov@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
А. И. Белов
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: denis.bolhakov@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
В. В. Матросов
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: denis.bolhakov@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
А. Н. Михайлов
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: denis.bolhakov@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
Список литературы
- Wunderlich T., Kungl A.F., Müller E., et al. Demonstrating advantages of neuromorphic computation: a pilot study // Front Neurosci. 2019. Vol. 13. P. 260. doi: 10.3389/fnins.2019.00260
- Shalfeev V.D. Investigation of the dynamics of a system of automatic phase control of frequency with a coupling capacitor in the control loop // Radiophysics and Quantum Electronics. 1968. Vol. 11, N 3. P. 221–226.
- Mishchenko M.A., Bolshakov D.I., Matrosov V.V. Instrumental implementation of a neuronlike generator with spiking and bursting dynamics based on a phase-locked loop // Technical Physics Letters. 2017. Vol. 43, N 7. P. 596–599. doi: 10.1134/S1063785017070100
- Mishchenko M.A., Bolshakov D.I., Matrosov V.V., Sysoev I.V. Electronic neuron-like generator with excitable and self-oscillating behavior // 5th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA); 2021 Sept 13–15; Kaliningrad. 2021. doi: 10.1109/DCNA53427.2021.9587210
- Mishchenko M.A., Bolshakov D.I., Lukoyanov V.I., et al. Inverted spike-rate-dependent plasticity due to charge traps in a metal-oxide memristive device // Journal of Physics D: Applied Physics. 2022. Vol. 55, N 39. P. 394002. doi: 10.1088/1361-6463/ac79de
Дополнительные файлы
