Достижения нейробиологии привносят все большее понимание о механизмах его работы и способности к адаптации, а технологии компьютерных симуляций, при этом, позволяют значительно снизить количество используемых лабораторных животных при проведении экспериментов. Значительным успехом данных технологий является симуляция нейрональной активности части мозга человека [1]. Открывшиеся с получением предсказанного мемристора [2; 3] возможности приковывают интерес исследователей к аппаратной реализации нейронов. Получившийся инструментарий из теоретической базы нейробиологии, технологий компьютерных симуляций, мемристоров и схемотехники прокладывает дорогу к новым вершинам: биоинспирированной робототехнике, более естественному с точки зрения управления мозгом протезированию, аппаратным нейронным сетям для задач классического искусственного интелекта, нейроморфным компьютерам и др.
Тем не менее, среди имеющихся работ касательно реализации искусственного нейрона нет тех, что рассматривали бы механизмы нейромодуляции.
Таким образом, проблемой данной дипломной работы является реализация на аналоговых компонентах и мемристорах биологически инспирированной модели искусственного нейрона с механизмами дофаминовой нейромодуляцией и подкрепляющего/ингибирующего обучения.
Объект исследования — дофаминовой нейромодуляция и подкрепляюще- е/ингибирующее обучение. Предмет исследования — аппаратная реализация нейрона.
Цель дипломной работы — в составе исследовательской команды предоставить аппаратную реализацию искусственного нейрона. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• Проанализировать характеристики мемристора: выявить пороговые значения напряжения для окислительно-восстановительных реакций, определить предпочитаемую форму сигнала.
• Спроектировать генератор LTP/LTD сигналов.
• Спроектировать сому нейрона.
• Собрать и протестировать аппаратную реализацию нейрона.
Основным средством проектирования схемы нейрона является система схематического моделирования LTspice XVII. В качестве вспомогательного средства использовался многоканальный регистратор-самописец LGraph2 для обработки аналоговых сигналов.
В ходе проделанной работы были были расмотренны различные реализации мемристоров, варианты их использования в схемах искусственных нейронов. В составе исследовательской команды были экспериментально изучены характеристики полианилиовых мемристоров и была разработана схема нейромодулирующего нейрона (Рис. 20), состоящая на данном этапе из:
• Тела нейрона.
• Генератора обратной связи.
• Нейромодулирующих блоков.
• Адаптера для мемристора.
• Изолирующего механизма для мемристора.
Помимо этого, были предприняты первые шаги в физической реализации разработанной схемы (Рис. 22), включающая в себя следующие компоненты:
• Часть адаптера, отвечающая за масштабирование сигнала (плата слева).
• Генератор обратной связи (плата по центру).
• Тело нейрона (плата справа).
Тем не менее, всё еще остается открытой задачей разработка генераторов дендритных спайков и блокирующих узлов дендритного дерева, равно как и более детальное изучение характеристик органического мемристора: в связи с выходом из строя последнего прибора, эксперименты пришлось приостановить. В дальнейшем также планируется изучение характеристик титановых мемристоров.
