新型憶阻器可逼真模擬突觸行為 或為研制類腦計算機鋪平道路

據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站26日報道，美國科學(xué)家研制出了一種新型“擴散式憶阻器”，模擬了人腦兩個神經(jīng)元的結(jié)點——突觸內(nèi)鈣離子的行為，逼真度有史以來高。研究人員表示，新設(shè)備有助于開發(fā)類腦（神經(jīng)形態(tài)）計算機。這種計算機在執(zhí)行感知和學(xué)習(xí)任務(wù)方面比傳統(tǒng)計算機表現(xiàn)更好，也更節(jié)能。
該研究、馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校電子和計算機工程教授楊志卿（音譯）稱：“過去，人們用晶體管和電容器來模擬突觸行為，這些設(shè)備雖能工作，但與真正的生物系統(tǒng)相似性很低，因此效率不高，且耗能更多，逼真度也不夠?！?
研究表明，人腦約有1000億個神經(jīng)元、約1000萬億個突觸，科學(xué)家們一直希望能研制出類腦計算機來模擬人腦強大的計算能力和高效率。楊志卿表示：“新設(shè)備能采用一種更自然、更直接、更逼真的方式模擬突觸，不僅模擬一個突觸功能，也囊括了其他重要屬性。”
在生物系統(tǒng)中，當(dāng)一個神經(jīng)脈沖到達突觸時，會使通道打開，鈣離子流進突觸，觸發(fā)大腦釋放“神經(jīng)傳遞素”，這些物質(zhì)會穿過兩個神經(jīng)元之間的溝壑，將脈沖傳遞給下一個神經(jīng)元。
新研制的“擴散式憶阻器”由嵌入一個氧氮化硅薄膜（位于兩個電極之間）內(nèi)的銀納米粒子簇組成。薄膜是絕緣體，但當(dāng)施加電脈沖時，熱和電共同作用，使粒子簇分崩離析，納米粒子散開通過薄膜并終形成一根導(dǎo)電絲，讓電流從一個電極到達另一個電極。一旦電壓移走，溫度下降，納米粒子又重新聚合成簇。研究人員稱，因為這一過程類似于生物突觸內(nèi)鈣離子的行為，該設(shè)備能模擬神經(jīng)元的短期可塑性。
他們也將新憶阻器同漂移憶阻器（依靠電場而非擴散，非常適合存儲用途）結(jié)合，展示了神經(jīng)元的一種長期可塑性——“尖峰時刻相關(guān)可塑性（STDP）”。以前也曾有人用漂移憶阻器模擬鈣離子的行為，但其物理過程與生物突觸迥然不同，限制了模擬突觸功能的逼真度和多樣性。