人工智能的發(fā)展催生了對具有并行運(yùn)算能力、高容錯(cuò)性和低功耗性芯片的需求,集成了人工神經(jīng)元和突觸的神經(jīng)形態(tài)芯片得到學(xué)界的廣泛關(guān)注。為了應(yīng)對摩爾定律接近極限給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來的瓶頸,研究可以代替晶體管陣列的單個(gè)人工突觸器件成為研究熱點(diǎn)。針對當(dāng)前突觸模擬領(lǐng)域存在的一些難題,如難以實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的可塑性、內(nèi)在機(jī)制與突觸生理環(huán)境相差較大、缺乏定量分析模型等,本文設(shè)計(jì)了基于聚合物電解質(zhì)/半導(dǎo)體多層膜的類突觸器件,通過電學(xué)脈沖測試實(shí)現(xiàn)了易化-抑制復(fù)合可塑性,填補(bǔ)了模擬“謝弗側(cè)枝”突觸細(xì)胞方面的空白,同時(shí)從離子動(dòng)力學(xué)的角度,建立了物理和數(shù)學(xué)模型,為采用人工器件實(shí)現(xiàn)突觸計(jì)算提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。首先,本文制備了Pt/P3HT/PEO-CaTf₂/Pt多層膜器件,利用其在脈沖結(jié)束時(shí)的放電電流,模擬后突觸電流（PSC）和突觸權(quán)重。在連續(xù)正向脈沖下,突觸權(quán)重呈先增大后減小的趨勢,同時(shí)呈現(xiàn)低頻抑制、高頻易化的濾波特性,這與大鼠海馬體中具有短程易化-長程抑制的謝弗側(cè)枝類似。我們建立了基于離子動(dòng)力學(xué)的物理模型,指出Ca²⁺濃差極化和靜電摻雜過程分別對內(nèi)電場具有增強(qiáng)和抑制效果,相當(dāng)... 

【文章來源】：清華大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：71 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

突觸的結(jié)構(gòu)示意圖

第1章引言3突觸短程可塑性可以轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程可塑性。因此，可以認(rèn)為短程可塑性是計(jì)算的基礎(chǔ)，而長程可塑性是記憶和學(xué)習(xí)的基矗圖1.2幾種不同類型短程可塑性示意圖。三種突觸均在0-10s范圍內(nèi)受到10Hz脈沖刺激，在其他時(shí)間受到0.5Hz脈沖刺激。黑點(diǎn)代表受到動(dòng)作電位時(shí)PSC的權(quán)重，10Hz刺激時(shí)的權(quán)重變化即體現(xiàn)突觸的短程可塑性1.1.2短程可塑性類型易化和抑制是短程可塑性最常見的兩種形式。易化性表示突觸在受到神經(jīng)脈沖刺激后，其活性會(huì)受到激活，故突觸的PSC呈逐漸增強(qiáng)趨勢。易化可塑性存續(xù)的時(shí)間通常在毫秒量級(jí)，是一種特殊的增強(qiáng)可塑性。而抑制性則與之相反，突觸傳遞信號(hào)的效率隨接受刺激而不斷下降，PSC呈下降趨勢。它可以在數(shù)秒的時(shí)間范圍內(nèi)存續(xù)。根據(jù)生物學(xué)研究，突觸的易化、抑制型短程可塑性，均受突觸前膜Ca2+濃度調(diào)控。當(dāng)一個(gè)動(dòng)作電位(actionpotential,AP)來臨時(shí)，突觸前膜上的Ca2+通道打開，局部鈣離子濃度(Calocal)上升，激活突觸小泡的釋放。同時(shí)，局部高濃度的Ca2+會(huì)在滲透壓以及鈣結(jié)合蛋白的作用下逐漸消耗。在第二個(gè)AP來臨時(shí)，就會(huì)發(fā)生兩個(gè)作用相反的過程：一方面，前一個(gè)突觸小泡的釋放會(huì)阻礙后續(xù)突觸小泡的釋放，造成后續(xù)脈沖響應(yīng)的衰減[6,7]；另一方面，前次刺激產(chǎn)生的高濃度Ca2+在動(dòng)作電位間隙尚未完全消退，留下部分剩余Ca2+(Cares)，從而使后續(xù)脈沖對應(yīng)的Calocal上升，造成脈沖響應(yīng)的增強(qiáng)[3,8,9]。在兩種作用的相互影響下，一個(gè)突觸就能宏觀上呈現(xiàn)易化型，抑制型，亦或易化-抑制復(fù)合型的短程可塑性[8,10,11]。J.S.Dittman等人對大鼠海馬體進(jìn)行研究[8]，發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)上述三種短程可塑性的突觸細(xì)胞：呈抑制性的爬行纖維(climbingfiber,CF)，呈易化性的平行纖維(parallelfiber,

第1章引言4PF)，以及呈短程易化、長程抑制的謝弗側(cè)枝(Schaffercollateral,SC)。三種突觸在連續(xù)脈沖下的興奮性后突觸電流(excitatorypost-plasticitycurrent,EPSC)如圖1.3(a)。圖1.3大鼠腦部三種突觸細(xì)胞的(a)脈沖下的EPSC，(b)權(quán)重隨頻率變化曲線。從上到下依次對應(yīng)爬行纖維(CF)、平行纖維(PF)和謝弗側(cè)枝(SC)為了更加直觀地比較不同突觸傳遞效率的變化情況，研究者們引入“突觸權(quán)重”的概念：突觸傳遞效率（即PSC）相對基準(zhǔn)值的比值。如果將突觸第一次受動(dòng)作電位刺激的PSC看作基準(zhǔn)值，則第N個(gè)動(dòng)作電位刺激產(chǎn)生的PSCN與PSC1的比值即為突觸權(quán)重。圖1.3(b)顯示了上述幾種突觸在不同頻率下突觸權(quán)重的變化情況。對于抑制型突觸CF，權(quán)重隨頻率升高而減小直到飽和，體現(xiàn)“低通濾波”的特性；對于易化型突觸PF，權(quán)重隨頻率升高而增加直到飽和，體現(xiàn)“高通濾波”的特性。SC細(xì)胞則綜合兩種可塑性特征，在低頻不斷增強(qiáng)，而高頻逐漸抑制。值得注意的是，由于每一個(gè)突觸中均存在突觸小泡釋放以及Cares上升的過程，因此易化性和抑制性的結(jié)合程度也不盡相同，不同的突觸可能呈現(xiàn)不同的頻率選擇性。這種類似濾波器的性質(zhì)也是生物體神經(jīng)系統(tǒng)可以處理不同頻率脈沖信號(hào)的源頭所在。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Controlling Ion Conductance and Channels to Achieve Synapticlike Frequency Selectivity[J]. Siheng Lu,Fei Zeng,Wenshuai Dong,Ao Liu,Xiaojun Li,Jingting Luo.  Nano-Micro Letters. 2015(02)



本文編號(hào)：3577090