Новости

16 октября, 2018 10:48

Мемристивное устройство в качестве активного синапса

Биологические нейроны связаны однонаправленно через специальные соединения, называемые синапсами. Электрический сигнал передается вдоль нейрона после того, как определенные биохимические реакции инициируют химическое высвобождение для активации соседнего нейрона. Синаптические соединения имеют ключевое значение для формирования таких когнитивных функций, как восприятие, обучение и память.
Источник: Пресс-служба РНФ

Группа исследователей из Университета Лобачевского изучает как динамику мемристивного устройства при воздействии на него нейроноподобного сигнала, так и динамику сети аналоговых электронных нейронов, связанных посредством мемристивного устройства. По словам Светланы Герасимовой, младшего научного сотрудника Научно-исследовательского физико-технического института и кафедры нейротехнологий Университета Лобачевского, такая система имитирует взаимодействие синаптически связанных нейронов мозга, а мемристивное устройство в данном случае выступает в качестве отростка нейрона – аксона.

Мемристивное устройство представляет собой физическую модель мемристора Чуа, который представляет собой элемент электрических цепей, способный изменять сопротивление в зависимости от прошедшего через него электрического сигнала (заряда). Мемристор на основе структуры Au/ZrO2(Y)/TiN/Ti демонстрирует воспроизводимое биполярное переключение между состоянием с низким сопротивлением и состоянием с высоким сопротивлением, которое определяется окислением и восстановлением проводящих каналов (филаментов) в оксидной пленке, когда к ней прикладывается напряжение различной полярности. В контексте данной работы способность мемристивного устройства менять проводимость под действием импульсных сигналов делает его практически идеальным электронным аналогом синапса. Сегодня ученые и инженеры ННГУ при поддержке Российского научного фонда (проект №16-19-00144) экспериментально реализовали и теоретически описали синаптическую связь нейроподобных генераторов с использованием мемристивного интерфейса и исследовали характеристики этой связи.

«Каждый нейрон выполнен в виде генератора импульсных сигналов на основе модели ФитцХью-Нагумо. Эта модель обеспечивает качественное описание основных характеристик нейронов: наличие порога возбуждения, наличие возбудимых и автоколебательных режимов с возможностью переключения между ними. В начальный момент времени управляющий генератор находится в автоколебательном режиме, управляемый генератор – в возбужденном режиме, в качестве синапса используется мемристивное устройство. Выходной сигнал с управляющего генератора передается на вход (верхний электрод) мемристивного устройства, далее сигнал с выхода мемристивного устройства (нижний электрод) поступает на вход управляемого генератора через нагрузочное сопротивление. При переходе мемристивного устройства из высокоомного состояния в низкоомное состояние происходит установление связи между двумя нейроноподобными генераторами. Управляемый генератор переходит в колебательный режим, при этом сигналы генераторов синхронизуются. Для структуры Au/ZrO2(Y)/TiN/Ti удалось продемонстрировать разные режимы синхронизации», – отмечает Светлана Герасимова.

Исследователи ННГУ полагают, что следующим важным этапом в развитии нейроморфных систем, основанных на мемристивных устройствах, является применение таких систем для задач нейропротезирования. Мемристивная система обеспечит высокую эффективность имитации синаптического соединения благодаря стохастической природе мемристивного эффекта и может быть использована для повышения гибкости связей при протезировании.

У ученых Университета Лобачевского есть богатый опыт по созданию нейрогибридных систем. Ранее были проведены эксперименты по сопряжению генератора ФитцХью-Нагумо в качестве управляющего устройства с биологическим объектом – срезом гиппокампа мозга крысы. Сигнал с электронного нейроноподобного генератора поступал по оптоволоконному каналу связи на биполярный электрод, который стимулировал коллатерали Шаффера (аксоны пирамидальных нейронов в поле CA3) в срезах гиппокампа.

«Мы собираемся объединить наши разработки в области искусственных нейроморфных систем и опыт работы с живыми клетками для решения проблем увеличения гибкости протезов», – заключает Светлана Герасимова.

Результаты исследований были представлены на 38-ой международной конференции по нелинейной динамике Dynamics Days Europe, которая проходила в Университете Лафборо (Великобритания). Соавторы исследования: А.Н. Михайлов, А.И. Белов, Д.С. Королев, Д.В. Гусейнов, А.В. Лебедева, О.Н. Горшков, В.Б. Казанцев.

27 февраля, 2024
Созданы прозрачные электроды для покрытий «умных» окон
Исследователи из России разработали прозрачные электроды на базе соединения германия и кальция, ко...
26 февраля, 2024
«Для авиастроения и космической промышленности»: российские ученые разработали новые высокотехнологичные сплавы
Российские ученые разработали линейку жаростойких и прочных сплавов, которые могут найти применени...