尖峰域电路及建模方法技术

一种响应于模拟输入信号和/或尖峰域输入信号的尖峰域电路。该尖峰域电路具有：滞后量化器，其用于生成尖峰域输出信号z(t)；1位数模转换器，其输入端耦接为接收尖峰域输出信号z(t)，其输出端耦接到电流求和节点；以及二阶滤波级，其具有两个输入端，其中一个输入端耦接为接收尖峰域输出信号z(t)，另一个输入端耦接为接收在所述电流求和节点处被求和的电流。该二阶滤波级的输出端耦接到滞后量化器的输入端。电流求和节点还接收与模拟和/或尖峰域输入信号相关的信号，从而进行响应。该电路可充当神经元节点。可将许多这样的电路一起使用，从而对具有复杂生物动态的神经元进行建模。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】尖峰域电路及建模方法相关申请的交叉引用本申请涉及2006年12月26日提交的标题为“PulseDomainEncoderandFilterCircuits”的美国专利申请SN11/645,936（现在的美国专利NO.7,403,144）；2007年3月23日提交的标题为“SpikeDomainandPulseDomainNon-LinearProcessor”的美国专利申请SN11/726,860（现在的美国专利NO.7,822,698）；2007年3月22日提交的标题为“AnalogtoDigitalConverterUsingAsynchronousPulseTechnology”的美国专利申请SN11/726,484（现在的美国专利NO.7,515,084）；2008年10月31日提交的标题为“PulseDomainLinearProgrammingCircuit”的美国专利申请SN12/262,782；以及2008年11月6日提交的标题为“AnalogtoDigitalConverterUsingAsynchronousPulseTechnology”的美国专利申请SN12/266,299。在此通过引用将每个前述专利申请并入本文。
公开了一种电路，该电路用于实现具有复杂仿生动态的神经元。该电路优选地运行于脉冲域中并且优选地是高阶的（二阶至至少四阶）。所公开的电路为时间编码器电路。它具有内部核心非线性二阶级，其具有与两个积分器相关联的两个状态变量。该核心非线性时间编码器电路将输入电流转换为电压尖峰列并可以模拟数学单输入神经元电路的动态。例如，可利用它生成下面讨论的Izhikevich数学模型的神经元动态（neurondynamics）。输入级和（一阶或二阶的）可选辅助级可用在核心级之前。输入级用于以不同的增益来对多个输入进行缩放。可选辅助级可用于对这些输入进行滤波。所公开的电路是基于高阶时间编码器的神经元电路。
技术介绍
已经推导出并在数字计算机上仿真了具有复杂动态的神经元数学模型。参考E.Izhikevich的“WhichModeltoUseforCorticalSpikingNeurons?,”IEEETrans.onNeuralNetworks,2004年9月第15卷,第5期。但是，Izhikevich的这项工作仅限于推导数学方程模型以及它们在离散时间数字计算机中的数字仿真。之前提出了其它一些实现神经元的电路。其中一个例子是G.Indiveri的电路，参考“AlowPowerAdaptiveIntegrate-and-FireNeuronCircuit,”IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems,2003年第IV卷820-823页。但是，其中描述的电路不能产生Izhikevich数学模型的复杂仿生的复杂行为。其它类似神经元的电路是时间编码器电路和二阶时间编码器电路。参考A.A.Lazar和L.T.Toth的“PerfectRecoveryandSensitivityAnalysisofTimeEncodedBandlimitedSignals,”IEEETrans,onCircuitsandSystems—I,2004年10月第51卷第10期2060-2073页，其描述了一阶神经元电路，以及J.Cruz-Albrecht和P.Petre的“PulseDomainEncodersandFilterCircuits,”US专利No.7,403,144,2008年7月22日，其描述了二阶神经元电路。但是，这些文献中描述的基本时间编码的电路也不能产生如Izhikevich数学模型那样的复杂仿生神经行为。图1示出了现有技术的脉冲编码器（参考美国专利No.7,403,144）。该电路可将模拟信号转换为脉冲。但是，该现有技术的脉冲编码电路不能用于模拟例如Izhikevich建模的复杂神经元行为。需要的是能够实现诸如Izhikevich所建模的神经元动态之类的复杂的神经元动态的电路，并且该电路优选的是具有简单的模拟组件。本文所公开的电路可以处理Izhikevich的数学模型，它可以再现大量仿生神经元行为。该数学模型需要至少两个状态变量和一个非线性元件。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术提供了一种尖峰域电路，该电路对模拟输入信号和/或尖峰域输入信号进行响应。该尖峰域电路包括：滞后量化器，其用于生成尖峰域输出信号z(t)；1位DAC，其输入端被耦接为接收由滞后量化器输出的尖峰域输出信号z(t)，其输出端被耦接到电流求和节点；以及二阶滤波级，其具有两个输入端，所述两个输入端中的一个输入被耦接为接收由滞后量化器输出的尖峰域输出信号z(t)，并且所述两个输入端中的另一个输入端被耦接为接收在所述电流求和节点处被求和的电流，该二阶滤波级具有耦接到滞后量化器的输入端的输出端，电流求和节点还接收与所述模拟输入信号和/或尖峰域输入信号相关的信号。在另一个方面，本技术提供了一种对诸如Izhikevich所建立的动态之类的复杂神经元动态进行建模、并且对模拟输入信号和/或尖峰域输入信号进行响应的方法，该方法包括：提供滞后量化器，其用于生成尖峰域输出信号z(t)；提供1位DAC，其输入端被耦接为接收由滞后量化器输出的尖峰域输出信号z(t)，其输出端被耦接到电流求和节点；提供二阶滤波级，其具有两个输入端，所述两个输入端中的一个输入端被耦接为接收由滞后量化器输出的尖峰域输出信号z(t)，所述两个输入端中的另一个输入端被耦接为接收在所述电流求和节点处被求和的电流，该二阶滤波级的输出端耦接到滞后量化器的输入端，电流求和节点还接收与所述模拟输入信号和/或尖峰域输入信号相关的信号，该二阶滤波级具有多个跨导1位DAC，每个所述跨导1位DAC具有被设置为用于控制复杂神经元动态的建模的增益。附图说明图1描绘了现有技术的脉冲编码器。图2a示出了根据本专利技术的脉冲域神经元电路的基本组件。图2b示出了模拟类型信号的一个示例，该信号可连续地改变幅度。图2c示出了尖峰域类型信号的一个示例，该信号由一系列尖峰（每个单独的尖峰为一个短时脉冲，各单独脉冲的定时传达信息）构成。图3示出了图2a的核心电路300中使用的滞后量化器的输入输出特性。图4a示出了在图2a的电路中使用的二阶滤波级310的示意图。图4b更详细地示出了图4a的非线性元件。图4c更详细地示出了图4a的边缘至尖峰元件。图4d描绘了图2a的滞后量化器元件的一个优选的硬件实现。图5a至图5c示出了利用工具对本专利技术的电路进行的仿真设置和模型。图5a示出了顶层仿真设置，其由一个输入源、代表本专利技术的电路的模型的符号框、和在仿真过程中监测关键信号的示波器组成。图5b示出了本专利技术的电路的模型的细节。图5c示出了用于图5b的模块310的模型的更多细节。图6a至图6d描绘了运行于激发尖峰（tonic-spiking）模式下的脉冲域神经元电路的仿真，其中图6a描绘了输入信号，图6b描绘了内部信号x1(t)，图6c描绘了内部信号x2(t)，以及图6d描绘了输出信号。图7a至图7d描绘了运行于激发簇（tonicbursting）模式下的脉冲域神经元电路的另一仿真，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对模拟输入信号和/或尖峰域输入信号进行响应的尖峰域电路，所述尖峰域电路包括：滞后量化器，其用于生成尖峰域输出信号z(t)；1位数模转换器，其输入端被耦接为接收由所述滞后量化器输出的尖峰域输出信号z(t)，其输出端耦接到电流求和节点；二阶滤波级，其具有两个输入端，所述两个输入端中的一个输入端被耦接为接收由所述滞后量化器输出的所述尖峰域输出信号z(t)，所述两个输入端中的另一个输入端被耦接为接收在所述电流求和节点处被求和的电流，所述二阶滤波级的输出端耦接到所述滞后量化器的输入端，所述电流求和节点还接收与所述模拟输入信号和/或尖峰域输入信号相关的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.02 US 13/151,7631.一种在尖峰域对复杂神经元动态进行建模并且对模拟输入信号和/或尖峰域输入信号进行响应的尖峰域电路，所述尖峰域电路包括：滞后量化器，其用于生成尖峰域输出信号z(t)；1位数模转换器，其输入端被耦接为接收由所述滞后量化器输出的尖峰域输出信号z(t)，其输出端耦接到电流求和节点；二阶滤波级，其具有两个输入端，所述两个输入端中的一个输入端被耦接为接收由所述滞后量化器输出的所述尖峰域输出信号z(t)，所述两个输入端中的另一个输入端被耦接为接收在所述电流求和节点处被求和的电流，所述二阶滤波级的输出端耦接到所述滞后量化器的输入端，所述二阶滤波级具有多个跨导放大器，每个所述多个跨导放大器具有增益，该增益被设置来用于控制所述复杂神经元动态；所述电流求和节点还接收与所述模拟输入信号和/或尖峰域输入信号相关的信号。2.如权利要求1所述的尖峰域电路，其中施加到所述求和节点的与所述模拟输入信号和/或尖峰域输入信号相关的信号对应于(i)所述模拟输入信号的增益调整形式以及/或者(ii)已分别施加到相应的多个跨导1位数模转换器上之后的多个尖峰输入的增益调整形式。3.如权利要求1所述的尖峰域电路，其中施加到所述求和节点的与所述模拟输入信号和/或尖峰域输入信号相关的信号对应于(i)所述模拟输入信号的滤波和增益调整形式以及/或者(ii)已分别施加到相应的多个跨导1位数模转换器上之后的多个尖峰输入的滤波和增益调整形式。4.如权利要求3所述的尖峰域电路，其中所述多个尖峰输入的滤波和增益调整形式由一阶辅助级进行滤波，所述一阶辅助级具有单个积分器，所述积分器布置在所述电流求和节点与所述相应的多个跨导1位数模转换器之间。5.如权利要求3所述的尖峰域电路，其中所述多个尖峰输入的滤波和增益调整形式由二阶辅助级进行滤波，所述二阶辅助级具有两个积分器，所述两个积分器布置在所述电流求和节点与所述相应的多个跨导1位数模转换器之间。6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的尖峰域电路，其中所述二阶滤波级包括：边缘至尖峰域转换器，其用于将所述滞后量化器的输出中的不符合需要的长持续时间的尖峰转化为较短的持续时间；第一积分器，其输出端是所述二阶滤波级的输出端，并且其输入端被耦接到第一电流求和节点，所述第一电流求和节点还耦接到权利要求1所定义的所述电流求和节点；第二积分器，其输入端被耦接到第二电流求和节点，所述第二电流求和节点还接收来自所述边缘至尖峰域转换器的较短持续时间的尖峰；第一跨导放大器组，其具有耦接到所述第一电流求和节点的输出端，所述第一跨导放大器组中选择的一些跨导放大器的输入端耦接到所述第一积分器的输出端，其中所述第一跨导放大器组中的至少一个跨导放大器的输入端通过非线性元件耦接到所述第一积分器的输出端，并且其中所述第一跨导放大器组中选择的另一个跨导放大器的输入端耦接到所述第二积分器的输出端；第二跨导放大器组，其具有耦接到所述第二电流求和节点的输出端，其中所述第二跨导放大器组中选择的一个跨导放大器的输入端耦接到所述第一积分器的输出端，并且其中所述第二跨导放大器组中选择的另一个跨导放大器的输入端耦接到所述第二积分器的输出端。7.如权利要求1至5中任一权利要求所述的尖峰域电路，其中所述滞后量化器是可编程的并且响应于用于对所述滞后量化器编程的控制信号。8.如权利要求1至5中任一权利要求所述的尖峰域电路，其中所述二阶滤波级是可编程的并且响应于用于对所述二阶滤波级编程的控制信号。9.一种建模的方法，其在尖峰域中对复杂神经...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔斯·克鲁兹阿尔布雷希特，彼得·彼得，纳拉延·斯里尼瓦桑，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：
国别省市：