聚合物电解质/半导体界面离子动力学模型与突触模拟
发布时间：2022-01-08 18:50
人工智能的发展催生了对具有并行运算能力、高容错性和低功耗性芯片的需求,集成了人工神经元和突触的神经形态芯片得到学界的广泛关注。为了应对摩尔定律接近极限给半导体产业带来的瓶颈,研究可以代替晶体管阵列的单个人工突触器件成为研究热点。针对当前突触模拟领域存在的一些难题,如难以实现可调控的可塑性、内在机制与突触生理环境相差较大、缺乏定量分析模型等,本文设计了基于聚合物电解质/半导体多层膜的类突触器件,通过电学脉冲测试实现了易化-抑制复合可塑性,填补了模拟“谢弗侧枝”突触细胞方面的空白,同时从离子动力学的角度,建立了物理和数学模型,为采用人工器件实现突触计算提供了理论和实验依据。首先,本文制备了Pt/P3HT/PEO-CaTf2/Pt多层膜器件,利用其在脉冲结束时的放电电流,模拟后突触电流（PSC）和突触权重。在连续正向脉冲下,突触权重呈先增大后减小的趋势,同时呈现低频抑制、高频易化的滤波特性,这与大鼠海马体中具有短程易化-长程抑制的谢弗侧枝类似。我们建立了基于离子动力学的物理模型,指出Ca2+浓差极化和静电掺杂过程分别对内电场具有增强和抑制效果,相当...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
突触的结构示意图
第1章引言3突触短程可塑性可以转变为长程可塑性。因此，可以认为短程可塑性是计算的基础，而长程可塑性是记忆和学习的基矗图1.2几种不同类型短程可塑性示意图。三种突触均在0-10s范围内受到10Hz脉冲刺激，在其他时间受到0.5Hz脉冲刺激。黑点代表受到动作电位时PSC的权重，10Hz刺激时的权重变化即体现突触的短程可塑性1.1.2短程可塑性类型易化和抑制是短程可塑性最常见的两种形式。易化性表示突触在受到神经脉冲刺激后，其活性会受到激活，故突触的PSC呈逐渐增强趋势。易化可塑性存续的时间通常在毫秒量级，是一种特殊的增强可塑性。而抑制性则与之相反，突触传递信号的效率随接受刺激而不断下降，PSC呈下降趋势。它可以在数秒的时间范围内存续。根据生物学研究，突触的易化、抑制型短程可塑性，均受突触前膜Ca2+浓度调控。当一个动作电位(actionpotential,AP)来临时，突触前膜上的Ca2+通道打开，局部钙离子浓度(Calocal)上升，激活突触小泡的释放。同时，局部高浓度的Ca2+会在渗透压以及钙结合蛋白的作用下逐渐消耗。在第二个AP来临时，就会发生两个作用相反的过程：一方面，前一个突触小泡的释放会阻碍后续突触小泡的释放，造成后续脉冲响应的衰减[6,7]；另一方面，前次刺激产生的高浓度Ca2+在动作电位间隙尚未完全消退，留下部分剩余Ca2+(Cares)，从而使后续脉冲对应的Calocal上升，造成脉冲响应的增强[3,8,9]。在两种作用的相互影响下，一个突触就能宏观上呈现易化型，抑制型，亦或易化-抑制复合型的短程可塑性[8,10,11]。J.S.Dittman等人对大鼠海马体进行研究[8]，发现体现上述三种短程可塑性的突触细胞：呈抑制性的爬行纤维(climbingfiber,CF)，呈易化性的平行纤维(parallelfiber,
第1章引言4PF)，以及呈短程易化、长程抑制的谢弗侧枝(Schaffercollateral,SC)。三种突触在连续脉冲下的兴奋性后突触电流(excitatorypost-plasticitycurrent,EPSC)如图1.3(a)。图1.3大鼠脑部三种突触细胞的(a)脉冲下的EPSC，(b)权重随频率变化曲线。从上到下依次对应爬行纤维(CF)、平行纤维(PF)和谢弗侧枝(SC)为了更加直观地比较不同突触传递效率的变化情况，研究者们引入“突触权重”的概念：突触传递效率（即PSC）相对基准值的比值。如果将突触第一次受动作电位刺激的PSC看作基准值，则第N个动作电位刺激产生的PSCN与PSC1的比值即为突触权重。图1.3(b)显示了上述几种突触在不同频率下突触权重的变化情况。对于抑制型突触CF，权重随频率升高而减小直到饱和，体现“低通滤波”的特性；对于易化型突触PF，权重随频率升高而增加直到饱和，体现“高通滤波”的特性。SC细胞则综合两种可塑性特征，在低频不断增强，而高频逐渐抑制。值得注意的是，由于每一个突触中均存在突触小泡释放以及Cares上升的过程，因此易化性和抑制性的结合程度也不尽相同，不同的突触可能呈现不同的频率选择性。这种类似滤波器的性质也是生物体神经系统可以处理不同频率脉冲信号的源头所在。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Controlling Ion Conductance and Channels to Achieve Synapticlike Frequency Selectivity[J]. Siheng Lu,Fei Zeng,Wenshuai Dong,Ao Liu,Xiaojun Li,Jingting Luo. Nano-Micro Letters. 2015(02)
本文编号：3577090
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
突触的结构示意图
第1章引言3突触短程可塑性可以转变为长程可塑性。因此，可以认为短程可塑性是计算的基础，而长程可塑性是记忆和学习的基矗图1.2几种不同类型短程可塑性示意图。三种突触均在0-10s范围内受到10Hz脉冲刺激，在其他时间受到0.5Hz脉冲刺激。黑点代表受到动作电位时PSC的权重，10Hz刺激时的权重变化即体现突触的短程可塑性1.1.2短程可塑性类型易化和抑制是短程可塑性最常见的两种形式。易化性表示突触在受到神经脉冲刺激后，其活性会受到激活，故突触的PSC呈逐渐增强趋势。易化可塑性存续的时间通常在毫秒量级，是一种特殊的增强可塑性。而抑制性则与之相反，突触传递信号的效率随接受刺激而不断下降，PSC呈下降趋势。它可以在数秒的时间范围内存续。根据生物学研究，突触的易化、抑制型短程可塑性，均受突触前膜Ca2+浓度调控。当一个动作电位(actionpotential,AP)来临时，突触前膜上的Ca2+通道打开，局部钙离子浓度(Calocal)上升，激活突触小泡的释放。同时，局部高浓度的Ca2+会在渗透压以及钙结合蛋白的作用下逐渐消耗。在第二个AP来临时，就会发生两个作用相反的过程：一方面，前一个突触小泡的释放会阻碍后续突触小泡的释放，造成后续脉冲响应的衰减[6,7]；另一方面，前次刺激产生的高浓度Ca2+在动作电位间隙尚未完全消退，留下部分剩余Ca2+(Cares)，从而使后续脉冲对应的Calocal上升，造成脉冲响应的增强[3,8,9]。在两种作用的相互影响下，一个突触就能宏观上呈现易化型，抑制型，亦或易化-抑制复合型的短程可塑性[8,10,11]。J.S.Dittman等人对大鼠海马体进行研究[8]，发现体现上述三种短程可塑性的突触细胞：呈抑制性的爬行纤维(climbingfiber,CF)，呈易化性的平行纤维(parallelfiber,
第1章引言4PF)，以及呈短程易化、长程抑制的谢弗侧枝(Schaffercollateral,SC)。三种突触在连续脉冲下的兴奋性后突触电流(excitatorypost-plasticitycurrent,EPSC)如图1.3(a)。图1.3大鼠脑部三种突触细胞的(a)脉冲下的EPSC，(b)权重随频率变化曲线。从上到下依次对应爬行纤维(CF)、平行纤维(PF)和谢弗侧枝(SC)为了更加直观地比较不同突触传递效率的变化情况，研究者们引入“突触权重”的概念：突触传递效率（即PSC）相对基准值的比值。如果将突触第一次受动作电位刺激的PSC看作基准值，则第N个动作电位刺激产生的PSCN与PSC1的比值即为突触权重。图1.3(b)显示了上述几种突触在不同频率下突触权重的变化情况。对于抑制型突触CF，权重随频率升高而减小直到饱和，体现“低通滤波”的特性；对于易化型突触PF，权重随频率升高而增加直到饱和，体现“高通滤波”的特性。SC细胞则综合两种可塑性特征，在低频不断增强，而高频逐渐抑制。值得注意的是，由于每一个突触中均存在突触小泡释放以及Cares上升的过程，因此易化性和抑制性的结合程度也不尽相同，不同的突触可能呈现不同的频率选择性。这种类似滤波器的性质也是生物体神经系统可以处理不同频率脉冲信号的源头所在。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Controlling Ion Conductance and Channels to Achieve Synapticlike Frequency Selectivity[J]. Siheng Lu,Fei Zeng,Wenshuai Dong,Ao Liu,Xiaojun Li,Jingting Luo. Nano-Micro Letters. 2015(02)
本文编号：3577090
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