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.
