本實(shí)用新型涉及一種用于人工智能的神經(jīng)元模擬電路，屬于仿生電路領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

整合放電模型是一種用于通過硬件電路來模擬神經(jīng)元工作過程的模型，現(xiàn)有技術(shù)一般使用CMOS電路進(jìn)行模擬，但CMOS相對(duì)于一般的門電路成本較高，故障維護(hù)方面也相應(yīng)地較為復(fù)雜。因此需要一種成本低、易維護(hù)、并且仿真程度與CMOS相差不多的電路結(jié)構(gòu)來對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行電路模擬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的基于CMOS的神經(jīng)元模擬電路成本較高，故障維護(hù)方面也相應(yīng)地較為復(fù)雜的缺點(diǎn)，而提出一種用于人工智能的神經(jīng)元模擬電路。

一種用于人工智能的神經(jīng)元模擬電路，包括用于模擬細(xì)胞膜內(nèi)外離子平衡電勢(shì)的第一電源、用于保護(hù)第一電源的分壓電阻、用于模擬鈉離子和鉀離子平衡電勢(shì)的第二電源、用于模擬膜漏電導(dǎo)和突觸活動(dòng)的電位器組、用于模擬膜電容的第一電容、用于模擬脈沖觸發(fā)的比較器以及用于模擬脈沖控制的控制器，其中：所述分壓電阻與所述第一電源的負(fù)極連接；所述第一電容并聯(lián)在所述分壓電阻和所述第一電源兩端；第一電位器與所述第二電源的正極連接，所述第二電源的負(fù)極與所述控制器連接，所述第一電位器、第二電源、控制器串聯(lián)構(gòu)成的支路與所述第一電容并聯(lián)連接；所述控制器具有輸入引腳，所述比較器的第一輸入端和輸出端分別并聯(lián)在所述第一電位器與所述控制器的輸入引腳兩端，所述比較器的第二輸入端輸入與所述第一電位器對(duì)應(yīng)的門控電壓；所述控制器用于輸出模擬神經(jīng)元脈沖的脈沖信號(hào)，作為所述電位器的控制信號(hào)，所述控制信號(hào)用于控制所述第一電位器模擬突觸活動(dòng)。

本實(shí)用新型的有益效果為：使用基本電路元器件代替CMOS，明顯降低了成本；電路結(jié)構(gòu)中通過定時(shí)器的輸出脈沖模擬突觸延時(shí)、突觸耦合，可以較為準(zhǔn)確地模擬神經(jīng)元的生物學(xué)特征，使其與現(xiàn)有的CMOS電路相差不多；電路結(jié)構(gòu)相比于CMOS電路并不復(fù)雜，易于維護(hù)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的用于人工智能的神經(jīng)元模擬電路的原理示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的用于人工智能的神經(jīng)元模擬電路的一個(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的用于人工智能的神經(jīng)元模擬電路，如圖1所示，包括用于模擬細(xì)胞膜內(nèi)外離子平衡電勢(shì)的第一電源E、用于保護(hù)第一電源的分壓電阻R、用于模擬鈉離子和鉀離子平衡電勢(shì)的第二電源E’、用于模擬膜漏電導(dǎo)和突觸活動(dòng)的電位器組R’、用于模擬膜電容的第一電容C1、用于模擬脈沖觸發(fā)的比較器U3以及用于模擬脈沖控制的控制器J，其中：分壓電阻R與第一電源的負(fù)極連接E；第一電容C1并聯(lián)在分壓電阻R和第一電源兩端E；第一電位器R’與第二電源E’的正極連接，第二電源E’的負(fù)極與控制器J連接，第一電位器R’、第二電源E’、控制器J串聯(lián)構(gòu)成的支路與第一電容并聯(lián)連接C1；控制器J具有輸入引腳，比較器U3的第一輸入端和輸出端分別并聯(lián)在第一電位器R’與控制器J的輸入引腳兩端，比較器U3的第二輸入端輸入與第一電位器R’對(duì)應(yīng)的門控電壓；控制器J用于輸出模擬神經(jīng)元脈沖的脈沖信號(hào)，作為第一電位器R’的控制信號(hào)，控制信號(hào)用于控制第一電位器R’模擬突觸活動(dòng)。

圖2示出了神經(jīng)元模擬電路的一個(gè)具體實(shí)施例，下面根據(jù)圖2說明本實(shí)用新型的工作原理。

第一電容C1的兩端電壓用于模擬神經(jīng)元的動(dòng)作電壓，也叫動(dòng)作電位。動(dòng)作電位是指可興奮細(xì)胞受到刺激時(shí)在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的可擴(kuò)布的電位變化過程。動(dòng)作電位由峰電位(迅速去極化上升支和迅速復(fù)極化下降支的總稱)和后電位(緩慢的電位變化，包括負(fù)后電位和正后電位)組成。峰電位是動(dòng)作電位的主要組成部分，因此通常意義的動(dòng)作電位主要指峰電位，本實(shí)用新型亦是如此。動(dòng)作電位的幅度約為90～130mV，動(dòng)作電位超過零電位水平約35mV。神經(jīng)纖維的動(dòng)作電位一般歷時(shí)約0.5～2.0ms，可沿膜傳播。

動(dòng)作電壓可表示為u_c(t)。第j(j＝1,2,……,n)個(gè)神經(jīng)元的輸出脈沖可表示為x_j(t)；x(t)定義為人工神經(jīng)元的輸出脈沖序列；E定義為平衡電勢(shì)；E_Na定義為鈉離子的平衡電勢(shì)；E_d定義為鉀離子和其他離子的綜合平衡電勢(shì)；E_K為鉀離子平衡電勢(shì)；G_Na⁽ⁱ⁾和G_d^(j)分別定義為第i個(gè)興奮性和第j個(gè)抑制性化學(xué)門控通道的電導(dǎo)；G_Na和G_K分別定位為可興奮性膜的再生性鈉鉀電導(dǎo)，這兩個(gè)電導(dǎo)要明顯高于其他電導(dǎo)，從而保證電路的活動(dòng)、動(dòng)作和恢復(fù)得以正常進(jìn)行。G為膜漏電導(dǎo)；C為膜電容。比較器用來完成脈沖觸發(fā)作用。定時(shí)器可以為ICM7555芯片，用來完成定時(shí)作用。其中圖2右側(cè)的ICM7555芯片U1的輸出脈沖用來作為鉀電導(dǎo)G_Na的控制信號(hào)，左側(cè)的ICM7555芯片U2的輸出脈沖用來作為G_K的控制信號(hào)。由于控制信號(hào)要求較小，需要經(jīng)過分壓后控制G_Na和G_K。其中，G_Na⁽ⁱ⁾和G_d^(j)隨著輸入信號(hào)x_i的變化的表達(dá)式為：

G_Na⁽ⁱ⁾＝G_We(i)x_i(t-lat_e(i))

G_d^(j)＝G_Wd(i)x_i(t-lat_d(i))

其中G_We(i)和G_Wd(i)分別為興奮性突觸聯(lián)接強(qiáng)度和抑制性突觸聯(lián)接強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)。lat_e(i)和lat_d(i)分別為興奮性突觸聯(lián)接延時(shí)和抑制性突觸聯(lián)接延時(shí)。

根據(jù)克希霍夫定理，可作如下討論：

(1)當(dāng)沒有動(dòng)作電位，即沒有突觸活動(dòng)時(shí)，動(dòng)作電壓u_c(t)的一階微分方程表示形式為：

其中為靜電平衡的時(shí)間常數(shù)，I為外部注入的電流，在本實(shí)用新型中忽略。按照生理學(xué)常識(shí)可以取τ＝4.7ms，E＝70mV，E_Na＝60mV，E_K＝90mV。

(2)當(dāng)某一時(shí)刻，動(dòng)作電壓達(dá)到閾值時(shí)，電路開始動(dòng)作，這時(shí)起主要作用的是電導(dǎo)G_Na和G_K的2個(gè)支路，支配u_c(t)的動(dòng)作方程為：

上式的動(dòng)作方程與支配神經(jīng)元膜動(dòng)作的方程相對(duì)應(yīng)。

(3)當(dāng)電路動(dòng)作過后，且無新的信號(hào)輸入時(shí)，u_c(t)從正后峰電壓被動(dòng)衰減到平衡電位，它的電壓方程為：

從上式中可以看出圖2中電路的活動(dòng)規(guī)律為：活動(dòng)(閾值以下)→動(dòng)作(突觸觸發(fā))→恢復(fù)(有時(shí)有)→活動(dòng)(閾值以下)

需要說明的是，電阻R7和R8所引出的部分與電源E2以及電位器Gd中間引出的部分連接，此信號(hào)記為X，信號(hào)X用于抑制Gd的作用時(shí)間；同理，電阻R6與電阻R5中間引出的部分與電源E3以及電位器Gk中間引出的部分連接，信號(hào)記為X’，用于抑制Gk的作用時(shí)間。上述的信號(hào)X和X’即對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求1中說的“控制信號(hào)用于控制所述第一電位器模擬突觸活動(dòng)”。

<實(shí)施例1>

圖2的電路結(jié)構(gòu)可以用來模擬神經(jīng)元的先興奮后抑制以及先抑制后興奮的情況。

以先興奮后抑制為例，由生理常識(shí)可得此時(shí)的lat_e(i)＝0，lat_d(i)＝0.4ms，取W_e(i)＝1，W_d(i)＝3，u_c(0)＝-70mV，由前述的公式

可得：

而上式與生理規(guī)律是相符合的。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：電位器組包括相互并聯(lián)連接的至少一個(gè)用于模擬可興奮膜鈉電導(dǎo)的第一電位器、至少一個(gè)用于模擬可興奮膜鉀電導(dǎo)的第二電位器以及至少一個(gè)用于模擬抑制性化學(xué)門控通道電導(dǎo)的第三電位器。

即圖1中的電位器組G可以包含多組電位器，對(duì)應(yīng)于圖2中與C₁并聯(lián)連接的G_Na和G_d、G_k。

本實(shí)用新型的神經(jīng)元模擬電路由于可以一定程度模擬神經(jīng)元的工作過程，因而可以考慮使用這種電路構(gòu)建人工智能設(shè)備，例如通過多個(gè)神經(jīng)元電路的組合模擬神經(jīng)元傳遞生物電信號(hào)的過程，進(jìn)而模擬出人腦進(jìn)行判斷的過程。雖然本實(shí)用新型沒有具體寫出如何通過神經(jīng)元模擬人工智能，但是可以判斷出神經(jīng)元電路一定是這類人工智能硬件電路的必要組成部分，本實(shí)用新型只要求保護(hù)這種神經(jīng)元電路的結(jié)構(gòu)，不要求保護(hù)人工智能電路，因此本實(shí)用新型中公開的神經(jīng)元電路是公開充分的。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：控制電路包括依次連接的反相器、第一定時(shí)器以及第二定時(shí)器，第一定時(shí)器輸出的脈沖信號(hào)用于模擬突觸聯(lián)接延時(shí)，以控制第二電位器的電壓變化；第二定時(shí)器輸出的脈沖信號(hào)用于模擬突觸聯(lián)接延時(shí)，以控制第三電位器的電壓變化。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：第一定時(shí)器以及所述第二定時(shí)器均為ICM7555芯片。ICM7555芯片具有易獲取、易維護(hù)、價(jià)格較為便宜的特點(diǎn)，因此可以可以選擇ICM7555芯片作為定時(shí)器。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：反相器為MC74F04芯片。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

本實(shí)用新型還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。