[論文レビュー] Dopamine modulation via memristive schematic

Max Talanov, E. Yu. Zykov+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2017

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ポリアニリン系メモリスタを用いた神経形状回路を提示し、ドーパミン様の調節を伴うシナプス可塑性を模倣する。可変抵抗器を用いたチューナブルなポテンショメータにより、ドーパミンに類似した調節を介して、両方の学習（STDPおよびiSTDP）を実装している。主な貢献は、興奮性および抑制性可塑性におけるドーパミン調節の物理的実現とシミュレーションであり、神経調節シグナルによるシナプス強度の動的調節を伴うスケーラブルで生物学的にインスパイアされた学習を示している。

ABSTRACT

In this technical report we present novel results of the dopamine neuromodulation inspired modulation of a polyaniline (PANI) memristive device excitatory learning STDP. Results presented in this work are of two experiments setup computer simulation and physical prototype experiments. We present physical prototype of inhibitory learning or iSTDP as well as the results of iSTDP learning.

研究の動機と目的

• 人工ニューロンにおけるドーパミン調節付きシナプス可塑性を模倣する物理的およびシミュレーテッド・メモリスタ回路の開発を目的とする。
• 演算増幅器とメモリスタデバイスを用いて、興奮性（STDP）および抑制性（iSTDP）シナプス可塑性を実装することを目的とする。
• ドーパミンに類似した調節が、興奮性および抑制性経路におけるシナプス重みの変化に与える影響を調査することを目的とする。
• チューナブルなポテンショメータをドーパミン濃度の代理として用いることで、神経調節機能の妥当性を検証することを目的とする。
• ドーパミン調節をGABA作動性シナプスに適用する可能性を検討し、神経形状システムにおいてこれまで未開拓であった分野への応用可能性を調査することを目的とする。

提案手法

• 本システムは、三段階のブロック図（興奮性：オранジ色、抑制性：ブルー、調節性：グリーン）で構成され、演算増幅器がSTDPおよびiSTDP学習ルールを実装する。
• ヘブ型STDPは演算増幅器U9–U11により実装され、iSTDPはU1、U7、U8により実装され、時間的に同期した前シナプスおよび後シナプスのスパイクが学習インパルスを生成する。
• 調節機能は可変抵抗器（V(mod)）により実装され、LTPおよびLTDインパルスの振幅を制御し、ドーパミンがシナプス強度に与える影響を模倣する。
• メモリスタデバイスの電導度は、前シナプスおよび後シナプススパイク間の時間差（Δt）に基づき更新され、STDPルールΔw = 1/Δtに従う。
• マルチバイブレータ（U3）は、統合電圧がしきい値を超えると短い出力パルスを生成し、シナプス重みの更新をトリガーする。
• 物理的プロトタイプは、配線図（図2）を用い、ドーパミンに類似した調節レベルを変化させたシミュレーションおよびハードウェア実験により検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チューナブルなポテンショメータを神経調節子として用いることで、物理的メモリスタ回路が、興奮性シナプスにおけるドーパミン調節付きSTDPを正確に模倣できるか？
• RQ2 ドーパミンに類似した調節は、興奮性および抑制性可塑性におけるシナプス重みの変化の振幅およびタイミングにどのように影響するか？
• RQ3 iSTDPでモデル化されたGABA作動性シナプスにドーパミン調節を拡張することは可能か？また、学習ダイナミクスに及ぼす観察可能な効果は何か？
• RQ4 神経調節入力に応じて、メモリスタデバイスの電導度を動的に調整できるか？生物学的シナプス可塑性を反映しているか？
• RQ5 ポテンショメータの設定値（V(mod)）と、STDPおよびiSTDP構成における学習インパルスの振幅との関係は何か？

主な発見

• シミュレーション結果では、V(mod)によるドーパミンに類似した調節レベルを上昇させると、図4の緑色のグラフに示されるように、学習インパルスの振幅が比例して増加した。
• 物理的実装では、ポテンショメータ設定が0/50kΩから50/0kΩに変更された際、STDP学習インパルスの振幅が増加し、シナプス可塑性の有効な調節が確認された。
• iSTDP学習機能は正常に実装され、検証された。調節レベルの上昇（0/1MΩから750/250kΩ）に伴い、より高い振幅の学習インパルスが得られた。
• メモリスタデバイスの全体的な電導度は、調節された学習インパルスに応じて変化し、図4のライラック色の曲線に示されるように、効果的な重み更新が実現された。
• 演算増幅器ベースの回路を用いて、興奮性および抑制性可塑性が正常に模倣され、LTPおよびLTD機能の明確な分離が確認された。
• 本研究は、ドーパミン調節付きiSTDPの初めての物理的実現を提供しており、今後の神経調節による抑制性シナプスの研究への道筋を示唆している。