具有短期记忆和长期记忆的模拟神经网络制造技术

本发明专利技术涉及神经生物学的一种采用电子技术来模拟大脑神经网络的模拟装置。本发明专利技术具有短期记忆和长期记忆两种不同时程的记忆效应，能够模拟大脑短期记忆的形成、以及短期记忆转化为长期记忆的过程，更好地揭示大脑的学习记忆的工作机制。本发明专利技术同时公开申请人关于大脑记忆的本质及其工作机制，记忆对思维的影响，不同亚型的动作电位的形成及其对记忆和思维的不同作用等分析资料。

An analog neural network with short term memory and long term memory

The present invention relates to an analog device for neurobiology that uses electronic technology to simulate a brain neural network. The memory effect of the invention has short-term and long-term memory in two different time history, can be formed, and the process simulation of the brain's short-term memory from short-term to long-term memory, working mechanism to better reveal the learning and memory of brain. The invention also discloses the applicant's nature and the working mechanism of the brain memory, the influence of memory on the thinking, the formation of the action potential of different subtypes, and the different functions of memory and thinking, etc..

【技术实现步骤摘要】
具有短期记忆和长期记忆的模拟神经网络
本专利技术属于申请号为2014106066977的专利技术专利申请的分案申请，涉及神经生物学领域的一种采用电子技术来模拟神经网络的装置。
技术介绍
大脑的工作机制是最重要的科学研究之一。目前的研究揭示大脑是依靠神经元及神经元之间互相连结的突触来实现信息的传递和处理，也在一定程度上揭示了单个的神经元及突触的很多结构特征和工作细节，但对于神经元及其突触到底如何通过连接关系和信号处理来实现大脑的高级功能，便仍是科学难题。这主要是因为单个的神经元和突触可以通过离体的神经元解剖和显微镜来观察其结构和工作，但离体的单个或多个神经元并无法组成信号处理通路，而我们又无法从微观角度来观察到生物整个活体大脑的工作过程。所以，即使有研究公布了神经元及突触的具体结构特征和工作特点，但对于它们在整个神经网络中起什么作用，如何起作用，如何与其他神经元发生关系，尤其是如何构成和实现宏观上的大脑功能，则往往仍得不到完整又合理的解释。为了模拟演示脑神经的工作，以及由此构造实现具有记忆和思维功能的人工智能，目前越来越多的研究采用建立数学仿真模型或神经元模拟装置的方法来模仿脑神经的工作。尤其是近几年，基于突触的STDP(SpikeTiming-DependentPlasticity，即时序依赖的突触可塑性)特性的突触可塑性的发现，及基于这种突触STDP可塑性的学习记忆模型的提出，很多申请人提交了很多神经元及突触模拟技术的专利申请。但申请人发现，由于对大脑的记忆的本质及其工作机制、尤其是对短期记忆(长时程记忆)和长期记忆(永久记忆)的形成和转化的工作机制缺乏足够的认识，目前基于突触可塑性而设计的模拟神经网络，基本只有模拟一种时效性的记忆效应，而大脑明显存在短期记忆和长期记忆两种不同时效性的记忆效应，两者在形成和使用上也有不同机制，在一定条件下短期记忆能够转化为长期记忆。所以，如何使模拟神经网络同时具有短期记忆和长期记忆、且短期记忆在一定条件下能够转化为长期记忆，是很有意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种具有两种不同时程记忆的模拟神经网络，其具有短期记忆和长期记忆两种不同时程的记忆效应，且短期记忆能够在一定情况下转化为长期记忆。本专利技术涉及的神经元模拟装置及技术，各种突触模拟装置及技术，还有具体的电压、脉冲宽度等数值设置，可见2014106066977的原案申请的说明书，在本申请不再叙述。当然，也可以采用其他合适的神经元和突触的模拟装置和技术。本专利技术所述的模拟神经网络包括第一输入神经元群、第一输出神经元群、第二输入神经元群、第二输出神经元群、第一中间神经元群和第二中间神经元群；第一输入神经元群的轴突输出端与第一输出神经元群的树突输入端之间采用“固化突触”进行连接，第二输入神经元群的轴突输出端与第二输出神经元群的树突输入端之间采用“固化突触”进行连接；(模拟大脑中形成的稳定的信息输入和输出通道的神经元连接)；第一输入神经元群和第二输入神经元群的轴突输出端，与第一中间神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；(模拟脑皮层或嗅皮层的神经元通过穿通纤维的通路向海马的齿状回颗粒细胞的投射，且两者之间采用具有STDP可塑性的突触进行连接)；第一中间神经元群的轴突输出端，与第二中间神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；(模拟在海马里面，颗粒细胞发出的苔藓纤维，与海马CA3锥体细胞之间的具有STDP可塑性的突触的连接)；第二中间神经元群的轴突输出端，与第一输出神经元群和第二输出神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；(模拟海马的CA3锥体细胞发出的Schaffer侧支，与CA1锥体细胞之间的具有STDP可塑性的突触连接)；第一输入神经元群的轴突输出端与第二输出神经元群的树突输入端之间，还有第二输入神经元群的轴突输出端与第一输出神经元群的树突输入端之间，采用“预制性突触”进行连接；(模拟存在于大脑特别是皮层上的某些神经元之间的预制性突触的连接，并且在一定情况下能够激活而成为有效突触，从而模拟实现短期记忆向长期记忆的转化)。根据原案申请，所述“固定突触”是指具有突触抑制效应和突触增强(突触易化)效应、但没有STDP突触可塑性的一类突触模拟装置，这类突触主要存在大脑的信号输入和输出通道上。所述的“可塑性突触”是指具有STDP突触可塑性效应的一类突触模拟装置，这类突触主要存在于大脑的海马、纹状体、杏仁核等位置的信息中间处理通道上，在突触前后端出现具有STDP特性的动作电位时，能够产生STDP突触可塑性，是形成短期记忆(或称长时程记忆)的基础。所述的“预制性突触”，本身包含有一具备突触传递效能的突触传递通道，也即其包含有一个突触模拟装置(一般为“固定突触”)，是在突触模拟装置的基础上，通过识别和判断突触前后端的信号、再以此启动或关闭突触传递通道。在工作初始时突触传递通道是关闭的，没有具备突触传递效能，只有当突触前后端之间多次出现符合STDP特性的LTP(long-termpotentiation，长时程增强)效应的锋电位信号，并累积达到一定程度，才会启动接通突触传递通道的工作，在突触前后端之间建立和保持有效的突触传递效能；而之后当突触前后端之间多次出现符合STDP特性的LTD(long-termdepression，长时程抑制)效应的锋电位信号，并累积达到一定程度，则会重新关闭突触传递通道的工作，使其失去突触传递效能。它模拟的是存在大脑皮质尤其是联合皮质等位置的神经元之间的一种突触，这类突触需要经过前后神经元长期的多次的协同刺激后，才被激活形成(或失去)有效的突触传递效能，实际上这是一个突触重构甚至包括突触生成和突触消亡的过程，是形成长期记忆(或称永久记忆)的基础，大脑主要通过突触竞争来完成这一过程，但在模拟神经网络中，直接将其模拟为有效或无效两种状态。上述这些各种模拟突触的具体技术和原理说明可见原案申请，这里不再重复。本专利技术的模拟神经网络，能够实现在两路信息输入输出通道之间，通过中间神经元及其连接的“可塑性突触”来快速形成短期记忆，(或称长时程记忆，由于存在海马上有时也被称为海马记忆)，并且，如果这种短期记忆被多次启动和记忆，则会激活预置在两条信息输入输出通道之间的“预制性突触”，从而在两条信息输入输出通道之间，建立起更直接更稳定的突触传递通道，实现长期记忆，(或称永久记忆，主要存在大脑皮层等位置，能够更长期和更稳定的保存信息，所以有时也被称为皮质记忆)。而一旦通过“预制性突触”建立起长期记忆，则原有已经通过“可塑性突触”建立的短期记忆的突触通道，则会由于“预制性突触”这一更直接的传递通道的建立，而使“可塑性突触”这一间接通道总是出现突触抑制，最终丧失作用，并释放出来用于重新建立新的信息的短期记忆。本专利技术的模拟神经网络，如果作为一种实验和演示装置，可以更好地模拟大脑中短期记忆的形成、以及短期记忆转化为长期记忆的过程，有利于更好地揭示大脑的学习记忆的工作机制。其工作机制、转化过程及其生物学意义在后面所附带的资料中另有叙述。本专利技术的模拟神经网络，如果以电路方式应用于某些自动控制领域，它不单能够在两组信号之间根据其相关性(信号的时序关系)较快地建立起记忆关系(短期记忆)，从而根据记忆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有两种不同时程记忆的神经模拟网络，包括第一输入神经元群、第一输出神经元群、第二输入神经元群、第二输出神经元群、第一中间神经元群和第二中间神经元群；其特征在于：第一输入神经元群的轴突输出端与第一输出神经元群的树突输入端之间采用“固化突触”进行连接，第二输入神经元群的轴突输出端与第二输出神经元群的树突输入端之间采用“固化突触”进行连接；第一输入神经元群和第二输入神经元群的轴突输出端，与第一中间神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；第一中间神经元群的轴突输出端，与第二中间神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；第二中间神经元群的轴突输出端，与第一输出神经元群和第二输出神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；第一输入神经元群的轴突输出端与第二输出神经元群的树突输入端之间，还有第二输入神经元群的轴突输出端与第一输出神经元群的树突输入端之间，采用“预制性突触”进行连接。

【技术特征摘要】
1.一种具有两种不同时程记忆的神经模拟网络，包括第一输入神经元群、第一输出神经元群、第二输入神经元群、第二输出神经元群、第一中间神经元群和第二中间神经元群；其特征在于：第一输入神经元群的轴突输出端与第一输出神经元群的树突输入端之间采用“固化突触”进行连接，第二输入神经元群的轴突输出端与第二输出神经元群的树突输入端之间采用“固化突触”进行连接；第一输入神经元群和第二输入神经元群的轴突输出端，与第一中间神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；第一中间神经元群的轴突输出端，与第二中间神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；第二中间神经元群的轴突输出端，与第一输出神经元群和第二输出神经元群的树突输入端之间，采用“可塑性突触”进行连接；第一输入神经元群的轴突输出端与第二输出神经元群的树突输入端之间，还有第二输入神经元群的轴突输出端与第一输出神经元群的树突输入端之间，采用“预制性突触”进行连接。2.根据权利要求1所述的一种具有两种不同时程记忆的神经模拟网络，其特征在于：所述的“固定突触”是指具有突触抑制效...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志强，
申请(专利权)人：徐志强，
类型：发明
国别省市：广东,44