一种用于人工智能的神经元模拟电路的制作方法

本实用新型涉及一种用于人工智能的神经元模拟电路，属于仿生电路领域。

背景技术：

整合放电模型是一种用于通过硬件电路来模拟神经元工作过程的模型，现有技术一般使用CMOS电路进行模拟，但CMOS相对于一般的门电路成本较高，故障维护方面也相应地较为复杂。因此需要一种成本低、易维护、并且仿真程度与CMOS相差不多的电路结构来对神经元进行电路模拟。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有的基于CMOS的神经元模拟电路成本较高，故障维护方面也相应地较为复杂的缺点，而提出一种用于人工智能的神经元模拟电路。

一种用于人工智能的神经元模拟电路，包括用于模拟细胞膜内外离子平衡电势的第一电源、用于保护第一电源的分压电阻、用于模拟钠离子和钾离子平衡电势的第二电源、用于模拟膜漏电导和突触活动的电位器组、用于模拟膜电容的第一电容、用于模拟脉冲触发的比较器以及用于模拟脉冲控制的控制器，其中：所述分压电阻与所述第一电源的负极连接；所述第一电容并联在所述分压电阻和所述第一电源两端；第一电位器与所述第二电源的正极连接，所述第二电源的负极与所述控制器连接，所述第一电位器、第二电源、控制器串联构成的支路与所述第一电容并联连接；所述控制器具有输入引脚，所述比较器的第一输入端和输出端分别并联在所述第一电位器与所述控制器的输入引脚两端，所述比较器的第二输入端输入与所述第一电位器对应的门控电压；所述控制器用于输出模拟神经元脉冲的脉冲信号，作为所述电位器的控制信号，所述控制信号用于控制所述第一电位器模拟突触活动。

本实用新型的有益效果为：使用基本电路元器件代替CMOS，明显降低了成本；电路结构中通过定时器的输出脉冲模拟突触延时、突触耦合，可以较为准确地模拟神经元的生物学特征，使其与现有的CMOS电路相差不多；电路结构相比于CMOS电路并不复杂，易于维护。

附图说明

图1为本实用新型的用于人工智能的神经元模拟电路的原理示意图；

图2为本实用新型的用于人工智能的神经元模拟电路的一个实施例的电路结构图；

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的用于人工智能的神经元模拟电路，如图1所示，包括用于模拟细胞膜内外离子平衡电势的第一电源E、用于保护第一电源的分压电阻R、用于模拟钠离子和钾离子平衡电势的第二电源E’、用于模拟膜漏电导和突触活动的电位器组R’、用于模拟膜电容的第一电容C1、用于模拟脉冲触发的比较器U3以及用于模拟脉冲控制的控制器J，其中：分压电阻R与第一电源的负极连接E；第一电容C1并联在分压电阻R和第一电源两端E；第一电位器R’与第二电源E’的正极连接，第二电源E’的负极与控制器J连接，第一电位器R’、第二电源E’、控制器J串联构成的支路与第一电容并联连接C1；控制器J具有输入引脚，比较器U3的第一输入端和输出端分别并联在第一电位器R’与控制器J的输入引脚两端，比较器U3的第二输入端输入与第一电位器R’对应的门控电压；控制器J用于输出模拟神经元脉冲的脉冲信号，作为第一电位器R’的控制信号，控制信号用于控制第一电位器R’模拟突触活动。

图2示出了神经元模拟电路的一个具体实施例，下面根据图2说明本实用新型的工作原理。

第一电容C1的两端电压用于模拟神经元的动作电压，也叫动作电位。动作电位是指可兴奋细胞受到刺激时在静息电位的基础上产生的可扩布的电位变化过程。动作电位由峰电位(迅速去极化上升支和迅速复极化下降支的总称)和后电位(缓慢的电位变化，包括负后电位和正后电位)组成。峰电位是动作电位的主要组成部分，因此通常意义的动作电位主要指峰电位，本实用新型亦是如此。动作电位的幅度约为90～130mV，动作电位超过零电位水平约35mV。神经纤维的动作电位一般历时约0.5～2.0ms，可沿膜传播。

动作电压可表示为u_c(t)。第j(j＝1,2,……,n)个神经元的输出脉冲可表示为x_j(t)；x(t)定义为人工神经元的输出脉冲序列；E定义为平衡电势；E_Na定义为钠离子的平衡电势；E_d定义为钾离子和其他离子的综合平衡电势；E_K为钾离子平衡电势；G_Na⁽ⁱ⁾和G_d^(j)分别定义为第i个兴奋性和第j个抑制性化学门控通道的电导；G_Na和G_K分别定位为可兴奋性膜的再生性钠钾电导，这两个电导要明显高于其他电导，从而保证电路的活动、动作和恢复得以正常进行。G为膜漏电导；C为膜电容。比较器用来完成脉冲触发作用。定时器可以为ICM7555芯片，用来完成定时作用。其中图2右侧的ICM7555芯片U1的输出脉冲用来作为钾电导G_Na的控制信号，左侧的ICM7555芯片U2的输出脉冲用来作为G_K的控制信号。由于控制信号要求较小，需要经过分压后控制G_Na和G_K。其中，G_Na⁽ⁱ⁾和G_d^(j)随着输入信号x_i的变化的表达式为：

G_Na⁽ⁱ⁾＝G_We(i)x_i(t-lat_e(i))

G_d^(j)＝G_Wd(i)x_i(t-lat_d(i))

其中G_We(i)和G_Wd(i)分别为兴奋性突触联接强度和抑制性突触联接强度对应的电导。lat_e(i)和lat_d(i)分别为兴奋性突触联接延时和抑制性突触联接延时。

根据克希霍夫定理，可作如下讨论：

(1)当没有动作电位，即没有突触活动时，动作电压u_c(t)的一阶微分方程表示形式为：

其中为静电平衡的时间常数，I为外部注入的电流，在本实用新型中忽略。按照生理学常识可以取τ＝4.7ms，E＝70mV，E_Na＝60mV，E_K＝90mV。

(2)当某一时刻，动作电压达到阈值时，电路开始动作，这时起主要作用的是电导G_Na和G_K的2个支路，支配u_c(t)的动作方程为：

上式的动作方程与支配神经元膜动作的方程相对应。

(3)当电路动作过后，且无新的信号输入时，u_c(t)从正后峰电压被动衰减到平衡电位，它的电压方程为：

从上式中可以看出图2中电路的活动规律为：活动(阈值以下)→动作(突触触发)→恢复(有时有)→活动(阈值以下)

需要说明的是，电阻R7和R8所引出的部分与电源E2以及电位器Gd中间引出的部分连接，此信号记为X，信号X用于抑制Gd的作用时间；同理，电阻R6与电阻R5中间引出的部分与电源E3以及电位器Gk中间引出的部分连接，信号记为X’，用于抑制Gk的作用时间。上述的信号X和X’即对应于权利要求1中说的“控制信号用于控制所述第一电位器模拟突触活动”。

<实施例1>

图2的电路结构可以用来模拟神经元的先兴奋后抑制以及先抑制后兴奋的情况。

以先兴奋后抑制为例，由生理常识可得此时的lat_e(i)＝0，lat_d(i)＝0.4ms，取W_e(i)＝1，W_d(i)＝3，u_c(0)＝-70mV，由前述的公式

可得：

而上式与生理规律是相符合的。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：电位器组包括相互并联连接的至少一个用于模拟可兴奋膜钠电导的第一电位器、至少一个用于模拟可兴奋膜钾电导的第二电位器以及至少一个用于模拟抑制性化学门控通道电导的第三电位器。

即图1中的电位器组G可以包含多组电位器，对应于图2中与C₁并联连接的G_Na和G_d、G_k。

本实用新型的神经元模拟电路由于可以一定程度模拟神经元的工作过程，因而可以考虑使用这种电路构建人工智能设备，例如通过多个神经元电路的组合模拟神经元传递生物电信号的过程，进而模拟出人脑进行判断的过程。虽然本实用新型没有具体写出如何通过神经元模拟人工智能，但是可以判断出神经元电路一定是这类人工智能硬件电路的必要组成部分，本实用新型只要求保护这种神经元电路的结构，不要求保护人工智能电路，因此本实用新型中公开的神经元电路是公开充分的。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：控制电路包括依次连接的反相器、第一定时器以及第二定时器，第一定时器输出的脉冲信号用于模拟突触联接延时，以控制第二电位器的电压变化；第二定时器输出的脉冲信号用于模拟突触联接延时，以控制第三电位器的电压变化。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：第一定时器以及所述第二定时器均为ICM7555芯片。ICM7555芯片具有易获取、易维护、价格较为便宜的特点，因此可以可以选择ICM7555芯片作为定时器。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：反相器为MC74F04芯片。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。