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摘要

生物神經元通過多樣的時間性脈沖表達實現高效的通信和神經活動調節(jié)。然而，現有的神經形態(tài)計算系統主要使用簡化的神經元模型，因其在模擬這些生物脈沖模式時的高成本，導致脈沖行為受到限制。本文提出了一種緊湊且可重構的神經元設計，利用基于 NbO2 的脈沖單元的內在動力學和電化學記憶（ECRAM）中的優(yōu)異可調性，模擬生物神經元中的快慢動力學。ECRAM 的電阻有效調節(jié)了膜電位的時間動態(tài)，促進了各種生物合理放電模式（如相位性脈沖和爆發(fā)性脈沖）的靈活重構，并展示了在變化環(huán)境中的自適應脈沖行為。我們使用該生物合理神經元模型構建了具有爆發(fā)性神經元的脈沖神經網絡，并展示了比簡化模型更高的分類精度，表明該模型在更生物可行的神經形態(tài)計算系統中具有廣泛的應用前景。

研究領域：生物可行性，神經形態(tài)計算，尖峰神經元，NbO2，電子化學存儲器，可重構性

論文題目：Bio--plausible reconfigurable spiking neuron for neuromorphic computing 發(fā)表時間：2025年2月5日論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr6733 期刊名稱：Science Advance

神經形態(tài)計算旨在模擬生物大腦的神經元和突觸行為，以提高智能系統的認知能力和處理效率。然而，模擬大腦功能的復雜性使得全方位的生物模擬變得困難。傳統神經形態(tài)系統多采用簡化的神經元模型，導致信息損失。近期發(fā)表在Science Advance的一篇研究提出了一種新型可重構的尖峰神經元設計，利用NbO2尖峰單元和電子化學存儲器，成功模擬了生物神經元中的快慢動態(tài)。

圖 1. 面向神經形態(tài)計算的生物合理可重構脈沖神經元。（A）支持多種脈沖模式的可重構芯片示意圖。（B）模擬快慢神經元動力學的生物逼真神經元電路設計。（C）神經元電路的核心組件包括非易失性 ecRAM 存儲設備和易失性 NbO2 設備。（D）通過不同的 ecRAM 電阻在四種脈沖模式之間進行重構。所有情況下均使用 4 V 的恒定輸入電壓偏置。

方法與實現

該研究采用NbO2尖峰單元與電子化學存儲器（ECRAM）相結合，構建出一種緊湊的、可重構的神經元電路。NbO2尖峰單元模擬了生物神經元中類似K+和Na+的電壓門控離子通道，通過電容充電提高NbO2器件的電壓偏置，誘導閾值開關行為。ECRAM則作為慢速子系統的內部變量，與NbO2配合實現尖峰動態(tài)的調節(jié)。

這種電路的設計包括兩個級聯的子電路，分別負責快動態(tài)和慢動態(tài)的模擬。快子電路主要產生輸出尖峰，而慢子電路則對快動態(tài)進行調制。通過調節(jié)ECRAM的電阻，該電路實現了不同尖峰模式的重構，如快尖峰、自適應尖峰、階段性尖峰和爆發(fā)性尖峰。這種可重構性使得相同電路在保持輸入幅值不變的情況下，能夠展現多樣的生物尖峰行為。

圖 2. 神經元電路的脈沖動態(tài)。(A) 電路包含快速子電路（綠色）和慢速子電路（橙色）。沒有慢子電路的電路實現了LIF神經元。(B) liF神經元在穩(wěn)定輸入刺激下的脈沖行為。輸入電壓為2.8V。(C) liF神經元對不同輸入幅度表現出頻率編碼。(D) 輸入幅度與放電頻率之間的相關性。觀察到一些脈沖頻率的變化，這些變化與NbO2器件的開關電壓變化有關。(E) 在恒定輸入刺激3.8V下，雙級神經元電路表現出自適應脈沖行為。(F) 兩個爆發(fā)周期中電路偏置的演化；C2電容的充電使神經元進入不應期，在CH2 NbO2的激活下，C2被放電并將神經元恢復到脈沖模式。(G) 神經元對不同輸入幅度的爆發(fā)放電行為。

圖 3. 使用ECRAM重新配置神經元電路。(A) 神經元電路中快通道和慢通道之間相互作用的示意圖。(B) 在不同神經元模式下，神經元輸出和C2電位的時間動態(tài)。(C) 通過對ECRAM進行編程，將其電阻調節(jié)到不同的水平，進而調節(jié)C2偏置。(D) 不同ECRAM電阻和輸入電壓幅度下的脈沖模式。

研究結果

實驗結果顯示，使用這種可重構神經元設計的尖峰神經網絡（SNNs）在分類任務中表現出優(yōu)于傳統簡化模型的精確度。尤其是在爆發(fā)模式下，生物合理神經元在人工神經網絡（ANN）轉換的SNNs和直接訓練的SNNs中均顯示出更好的性能。此外，這種設計在自適應模式下能夠有效地編碼輸入光信號，通過調節(jié)發(fā)射率適應外部視覺刺激，類似于人類視網膜對不同光照條件的響應。