一種用於人工智慧的神經元模擬電路的製作方法

2023-10-18 08:12:14

本實用新型涉及一種用於人工智慧的神經元模擬電路，屬於仿生電路領域。

背景技術：

整合放電模型是一種用於通過硬體電路來模擬神經元工作過程的模型，現有技術一般使用CMOS電路進行模擬，但CMOS相對於一般的門電路成本較高，故障維護方面也相應地較為複雜。因此需要一種成本低、易維護、並且仿真程度與CMOS相差不多的電路結構來對神經元進行電路模擬。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了解決現有的基於CMOS的神經元模擬電路成本較高，故障維護方面也相應地較為複雜的缺點，而提出一種用於人工智慧的神經元模擬電路。

一種用於人工智慧的神經元模擬電路，包括用於模擬細胞膜內外離子平衡電勢的第一電源、用於保護第一電源的分壓電阻、用於模擬鈉離子和鉀離子平衡電勢的第二電源、用於模擬膜漏電導和突觸活動的電位器組、用於模擬膜電容的第一電容、用於模擬脈衝觸發的比較器以及用於模擬脈衝控制的控制器，其中：所述分壓電阻與所述第一電源的負極連接；所述第一電容並聯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、控制器串聯構成的支路與所述第一電容並聯連接；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並聯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應的門控電壓；所述控制器用於輸出模擬神經元脈衝的脈衝信號，作為所述電位器的控制信號，所述控制信號用於控制所述第一電位器模擬突觸活動。

本實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；電路結構中通過定時器的輸出脈衝模擬突觸延時、突觸耦合，可以較為準確地模擬神經元的生物學特徵，使其與現有的CMOS電路相差不多；電路結構相比於CMOS電路並不複雜，易於維護。

附圖說明

圖1為本實用新型的用於人工智慧的神經元模擬電路的原理示意圖；

圖2為本實用新型的用於人工智慧的神經元模擬電路的一個實施例的電路結構圖；

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的用於人工智慧的神經元模擬電路，如圖1所示，包括用於模擬細胞膜內外離子平衡電勢的第一電源E、用於保護第一電源的分壓電阻R、用於模擬鈉離子和鉀離子平衡電勢的第二電源E』、用於模擬膜漏電導和突觸活動的電位器組R』、用於模擬膜電容的第一電容C1、用於模擬脈衝觸發的比較器U3以及用於模擬脈衝控制的控制器J，其中：分壓電阻R與第一電源的負極連接E；第一電容C1並聯在分壓電阻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串聯構成的支路與第一電容並聯連接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並聯在第一電位器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』對應的門控電壓；控制器J用於輸出模擬神經元脈衝的脈衝信號，作為第一電位器R』的控制信號，控制信號用於控制第一電位器R』模擬突觸活動。

圖2示出了神經元模擬電路的一個具體實施例，下面根據圖2說明本實用新型的工作原理。

第一電容C1的兩端電壓用於模擬神經元的動作電壓，也叫動作電位。動作電位是指可興奮細胞受到刺激時在靜息電位的基礎上產生的可擴布的電位變化過程。動作電位由峰電位(迅速去極化上升支和迅速復極化下降支的總稱)和後電位(緩慢的電位變化，包括負後電位和正後電位)組成。峰電位是動作電位的主要組成部分，因此通常意義的動作電位主要指峰電位，本實用新型亦是如此。動作電位的幅度約為90～130mV，動作電位超過零電位水平約35mV。神經纖維的動作電位一般歷時約0.5～2.0ms，可沿膜傳播。

動作電壓可表示為uc(t)。第j(j＝1,2,……,n)個神經元的輸出脈衝可表示為xj(t)；x(t)定義為人工神經元的輸出脈衝序列；E定義為平衡電勢；ENa定義為鈉離子的平衡電勢；Ed定義為鉀離子和其他離子的綜合平衡電勢；EK為鉀離子平衡電勢；GNa(i)和Gd(j)分別定義為第i個興奮性和第j個抑制性化學門控通道的電導；GNa和GK分別定位為可興奮性膜的再生性鈉鉀電導，這兩個電導要明顯高於其他電導，從而保證電路的活動、動作和恢復得以正常進行。G為膜漏電導；C為膜電容。比較器用來完成脈衝觸發作用。定時器可以為ICM7555晶片，用來完成定時作用。其中圖2右側的ICM7555晶片U1的輸出脈衝用來作為鉀電導GNa的控制信號，左側的ICM7555晶片U2的輸出脈衝用來作為GK的控制信號。由於控制信號要求較小，需要經過分壓後控制GNa和GK。其中，GNa(i)和Gd(j)隨著輸入信號xi的變化的表達式為：

GNa(i)＝GWe(i)xi(t-late(i))

Gd(j)＝GWd(i)xi(t-latd(i))

其中GWe(i)和GWd(i)分別為興奮性突觸聯接強度和抑制性突觸聯接強度對應的電導。late(i)和latd(i)分別為興奮性突觸聯接延時和抑制性突觸聯接延時。

根據克希霍夫定理，可作如下討論：

(1)當沒有動作電位，即沒有突觸活動時，動作電壓uc(t)的一階微分方程表示形式為：

其中為靜電平衡的時間常數，I為外部注入的電流，在本實用新型中忽略。按照生理學常識可以取τ＝4.7ms，E＝70mV，ENa＝60mV，EK＝90mV。

(2)當某一時刻，動作電壓達到閾值時，電路開始動作，這時起主要作用的是電導GNa和GK的2個支路，支配uc(t)的動作方程為：

上式的動作方程與支配神經元膜動作的方程相對應。

(3)當電路動作過後，且無新的信號輸入時，uc(t)從正後峰電壓被動衰減到平衡電位，它的電壓方程為：

從上式中可以看出圖2中電路的活動規律為：活動(閾值以下)→動作(突觸觸發)→恢復(有時有)→活動(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，此信號記為X，信號X用於抑制Gd的作用時間；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，信號記為X』，用於抑制Gk的作用時間。上述的信號X和X』即對應於權利要求1中說的「控制信號用於控制所述第一電位器模擬突觸活動」。

圖2的電路結構可以用來模擬神經元的先興奮後抑制以及先抑制後興奮的情況。

以先興奮後抑制為例，由生理常識可得此時的late(i)＝0，latd(i)＝0.4ms，取We(i)＝1，Wd(i)＝3，uc(0)＝-70mV，由前述的公式

可得：

而上式與生理規律是相符合的。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：電位器組包括相互並聯連接的至少一個用於模擬可興奮膜鈉電導的第一電位器、至少一個用於模擬可興奮膜鉀電導的第二電位器以及至少一個用於模擬抑制性化學門控通道電導的第三電位器。

即圖1中的電位器組G可以包含多組電位器，對應於圖2中與C1並聯連接的GNa和Gd、Gk。

本實用新型的神經元模擬電路由於可以一定程度模擬神經元的工作過程，因而可以考慮使用這種電路構建人工智慧設備，例如通過多個神經元電路的組合模擬神經元傳遞生物電信號的過程，進而模擬出人腦進行判斷的過程。雖然本實用新型沒有具體寫出如何通過神經元模擬人工智慧，但是可以判斷出神經元電路一定是這類人工智慧硬體電路的必要組成部分，本實用新型只要求保護這種神經元電路的結構，不要求保護人工智慧電路，因此本實用新型中公開的神經元電路是公開充分的。

其它步驟及參數與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：控制電路包括依次連接的反相器、第一定時器以及第二定時器，第一定時器輸出的脈衝信號用於模擬突觸聯接延時，以控制第二電位器的電壓變化；第二定時器輸出的脈衝信號用於模擬突觸聯接延時，以控制第三電位器的電壓變化。

其它步驟及參數與具體實施方式一或二相同。

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

其它步驟及參數與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：反相器為MC74F04晶片。

其它步驟及參數與具體實施方式一至四之一相同。

本實用新型還可有其它多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質的情況下，本領域技術人員當可根據本實用新型作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。