忆阻神经电路的动力学分析与同步研究
发布时间：2021-08-24 17:55
搭建神经电路是仿生科学应用的重要途径,其发展将极大地促进仿生学、智能控制、机器人、计算机科学、神经生理学等的发展。忆阻器具有磁滞的伏安特性和非线性特征,非常适合用于搭建神经元电路;同时,忆阻器具有可编程特性和非易失特性,非常适合用于搭建突触电路。目前还没有神经电路在神经元和突触中同时应用忆阻器。因此,本论文首先搭建了基于磁控忆阻器的FitzHugh-Nagumo神经元电路,然后用磁控忆阻器突触将该电路耦合成忆阻神经元网络电路。论文提出的电路由于引入了纳米级规模的忆阻器,因此具有体积小、功耗低、运行速度高等优点,具有广阔的应用前景。混沌、分岔、周期振荡等动力学行为是神经系统的固有现象。同步行为是神经系统的重要特征,辨别神经系统的混沌同步性将有助于深入研究癫痫等疾病的动力学行为。因此,论文对建立的神经元模型进行详细的动力学分析,同时对建立的忆阻神经元网络电路进行了深入的同步研究,其中重点研究混沌及其同步的产生机理和特性。忆阻器可以记忆流经它的电荷（磁通）数量是其重要特征和突出优点,流经忆阻器的电荷（磁通）数量体现为某时刻的初始电荷（磁通）条件。因此,论文同时研究忆阻器的参数和初始条件对神经...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
惠普2TiO忆阻器的机制模型
西南大学博士学位论文122()(())(())wtDwtFwtD=(2.4)忆阻器的数学理论模型是对忆阻应用电路进行定量解析的基矗描述忆阻器的常用非线性函数有对称分段线性函数[1,10,11,93]、光滑二次非线性函数[12,13,103]和光滑三次非线性函数[14-17]。早在提出忆阻器概念时，蔡少棠教授就采用分段线性特性曲线去描述忆阻器，目前，采用分段线性函数作为忆阻器的数学模型已经被研究人员广泛认可。在电荷-磁通域中，描述磁控型和荷控型忆阻器的分段线性特性曲线如图2.2所示，其数学表达式分别为q()=b+0.5(ab)(+11)(2.5)(q)=dq+0.5(cd)(q+1q1)(2.6)相应的伏安关系分别为i=W()v={b+0.5(ab)[sgn(+1)sgn(1)]}v(2.7)v=M(q)i={d+0.5(cd)[sgn(q+1)sgn(q1)]}i(2.8)其中，a、b、c和d均为正常数，且a≠b及c≠d，sgn(i)为符号函数。(a)(b)图2.2忆阻器的分段线性特性曲线：(a)磁控型忆阻器；(b)荷控型忆阻器随着忆阻器研究的深入，包伯成教授等[12-15]提出了采用光滑二次和三次非线性函数描述磁控型忆阻器，电荷-磁通域中的特性曲线如图2.3所示，其数学表达式分别为q()=a+0.5b(2.9)3q()=a+b(2.10)相应的伏安关系分别为i=W()v=(a+b)v(2.11)2i=W()v=(a+3b)v(2.12)其中，a和b均为常数。从图2.3可知，二次和三次非线性函数具有单调增加的光滑特性，能简单表斜率=b斜率=a斜率=d斜率=cφφqq
西南大学博士学位论文20组成[112]，如图2.6所示。细胞体包括细胞核、细胞质和细胞膜，作用是处理信息。细胞核位于细胞体中央，形状大而圆，核仁明显。细胞突起从细胞体发展延伸，分为轴突和树突。每个神经元有一个轴突，其形状如同电缆，其携带信息，主要作用是输出细胞体内的信息。神经元有数个树突，形态与树枝的分叉结构十分类似，树突接受外界刺激而将信息传入细胞体，主要作用是接受信息。树突的形状和数量与神经的支配能力息息相关，在记忆、学习和神经元的可塑性方面发挥着十分重要的作用。在轴突末梢是突触，用以连接两个神经元，用于神经元之间的信息传递和整合。突触又分为化学突触和电突触。绝大多数突触是化学突触，它们在传递信息的过程中，首先将电脉冲形式转化为化学形式进行传导，然后再次转换为电脉冲形式继续传导。还有少数突触是电突触，也称为缝隙连接，它们的信息传导直接采用电脉冲形式，是相邻神经元之间最简单的信息传递形式。图2.6生物神经元的基本结构神经元的细胞膜内外存在电势差，称为膜电位。当神经细胞处于安静状态时的膜电位称为静息电位，它是由于细胞液的多种离子在细胞膜内和细胞膜外存在浓度差，细胞膜又对各种离子的通透性具有差异而造成的。当细胞膜受到超过一定阈值的电刺激时，离子电位的通透性将明显增强，此时膜电位相对静息电位产生显著变化，电脉冲沿着神经纤维传导，形成动作电位。动作电位的产生意味着神经元处于兴奋和活动的状态。当膜内的负值电位向减小的方向发展，神经元表现为兴奋；而当膜内负值电位向增大的方向发展，神经元表现为抑制。生物神经元的各部分功能可总结为：细胞体处理信息、树突接收信息、轴突传递信息、突触将轴突与其他神经元连接起来、并进行神经元间的信息传?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Energy feedback and synchronous dynamics of Hindmarsh–Rose neuron model with memristor[J]. K Usha,P A Subha. Chinese Physics B. 2019(02)
[2]关于混沌的Devaney定义的一点注记[J]. 胡扬,阮炯. 复旦学报(自然科学版). 1995(02)
博士论文
[1]忆阻器电学特性的模拟及在混沌系统中的应用研究[D]. 李志军.湘潭大学 2014
硕士论文
[1]基于忆阻器的可编程模拟电路设计[D]. 俞周芳.浙江师范大学 2013
本文编号：3360455
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
惠普2TiO忆阻器的机制模型
西南大学博士学位论文122()(())(())wtDwtFwtD=(2.4)忆阻器的数学理论模型是对忆阻应用电路进行定量解析的基矗描述忆阻器的常用非线性函数有对称分段线性函数[1,10,11,93]、光滑二次非线性函数[12,13,103]和光滑三次非线性函数[14-17]。早在提出忆阻器概念时，蔡少棠教授就采用分段线性特性曲线去描述忆阻器，目前，采用分段线性函数作为忆阻器的数学模型已经被研究人员广泛认可。在电荷-磁通域中，描述磁控型和荷控型忆阻器的分段线性特性曲线如图2.2所示，其数学表达式分别为q()=b+0.5(ab)(+11)(2.5)(q)=dq+0.5(cd)(q+1q1)(2.6)相应的伏安关系分别为i=W()v={b+0.5(ab)[sgn(+1)sgn(1)]}v(2.7)v=M(q)i={d+0.5(cd)[sgn(q+1)sgn(q1)]}i(2.8)其中，a、b、c和d均为正常数，且a≠b及c≠d，sgn(i)为符号函数。(a)(b)图2.2忆阻器的分段线性特性曲线：(a)磁控型忆阻器；(b)荷控型忆阻器随着忆阻器研究的深入，包伯成教授等[12-15]提出了采用光滑二次和三次非线性函数描述磁控型忆阻器，电荷-磁通域中的特性曲线如图2.3所示，其数学表达式分别为q()=a+0.5b(2.9)3q()=a+b(2.10)相应的伏安关系分别为i=W()v=(a+b)v(2.11)2i=W()v=(a+3b)v(2.12)其中，a和b均为常数。从图2.3可知，二次和三次非线性函数具有单调增加的光滑特性，能简单表斜率=b斜率=a斜率=d斜率=cφφqq
西南大学博士学位论文20组成[112]，如图2.6所示。细胞体包括细胞核、细胞质和细胞膜，作用是处理信息。细胞核位于细胞体中央，形状大而圆，核仁明显。细胞突起从细胞体发展延伸，分为轴突和树突。每个神经元有一个轴突，其形状如同电缆，其携带信息，主要作用是输出细胞体内的信息。神经元有数个树突，形态与树枝的分叉结构十分类似，树突接受外界刺激而将信息传入细胞体，主要作用是接受信息。树突的形状和数量与神经的支配能力息息相关，在记忆、学习和神经元的可塑性方面发挥着十分重要的作用。在轴突末梢是突触，用以连接两个神经元，用于神经元之间的信息传递和整合。突触又分为化学突触和电突触。绝大多数突触是化学突触，它们在传递信息的过程中，首先将电脉冲形式转化为化学形式进行传导，然后再次转换为电脉冲形式继续传导。还有少数突触是电突触，也称为缝隙连接，它们的信息传导直接采用电脉冲形式，是相邻神经元之间最简单的信息传递形式。图2.6生物神经元的基本结构神经元的细胞膜内外存在电势差，称为膜电位。当神经细胞处于安静状态时的膜电位称为静息电位，它是由于细胞液的多种离子在细胞膜内和细胞膜外存在浓度差，细胞膜又对各种离子的通透性具有差异而造成的。当细胞膜受到超过一定阈值的电刺激时，离子电位的通透性将明显增强，此时膜电位相对静息电位产生显著变化，电脉冲沿着神经纤维传导，形成动作电位。动作电位的产生意味着神经元处于兴奋和活动的状态。当膜内的负值电位向减小的方向发展，神经元表现为兴奋；而当膜内负值电位向增大的方向发展，神经元表现为抑制。生物神经元的各部分功能可总结为：细胞体处理信息、树突接收信息、轴突传递信息、突触将轴突与其他神经元连接起来、并进行神经元间的信息传?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Energy feedback and synchronous dynamics of Hindmarsh–Rose neuron model with memristor[J]. K Usha,P A Subha. Chinese Physics B. 2019(02)
[2]关于混沌的Devaney定义的一点注记[J]. 胡扬,阮炯. 复旦学报(自然科学版). 1995(02)
博士论文
[1]忆阻器电学特性的模拟及在混沌系统中的应用研究[D]. 李志军.湘潭大学 2014
硕士论文
[1]基于忆阻器的可编程模拟电路设计[D]. 俞周芳.浙江师范大学 2013
本文编号：3360455
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