[논문 리뷰] Dopamine modulation via memristive schematic

Max Talanov, E. Yu. Zykov외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 19.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 폴리아닐린 기반 메모리스터를 사용하여 도파민 조절성 시냅스 가소성을 모방하는 메모리스터 기반 뉴로모픽 회로를 제시한다. 가변 전위차계를 통해 도파민 유사 조절을 통해 유산성(스패이크 타이밍 의존 학습, STDP) 및 억제성(역방향 STDP, iSTDP) 학습을 모두 실현한다. 주요 기여는 유산성 및 억제성 가소성에서 도파민 조절의 물리적 실현과 시뮬레이션으로, 뉴로모듈레이터 신호를 통한 시냅스 강도의 동적 조절을 통해 확장 가능한 생물학적으로 유사한 학습을 구현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인공 뉴런에서 도파민 조절성 시냅스 가소성을 모방하는 물리적 및 시뮬레이션 기반 메모리스터 회로를 개발하기 위해.
• 운영 증폭기와 메모리스터 장치를 사용하여 유산성(STDP) 및 억제성(iSTDP) 시냅스 가소성을 모두 실현하기 위해.
• 유산성 및 억제성 경로에서 시냅스 가중치 변화에 도파민 유사 조절이 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 가변 전위차계를 도파민 농도의 대체 수 Mittel로 사용하여 뉴로모듈레이터 기능을 검증하기 위해.
• 도파민 조절을 억제성 GABAergic 시냅스에 적용할 수 있는지 가능성과 그에 따른 학습 역학에 대한 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 세 부분으로 구성된 블록도를 사용한다: 유산성(주황), 억제성(파랑), 조절성(초록) 구성 요소로, 운영 증폭기(오퍼에이션 앰프)가 STDP 및 iSTDP 학습 규칙을 구현한다.
• 히브스 STDP는 운영 증폭기 U9–U11를 통해 실현되며, iSTDP는 U1, U7, U8를 사용한다. 시간이 일치하는 전시냅스 및 후시냅스 스파이크가 학습 펄스를 생성한다.
• 조절 기능은 가변 전위차계(V(mod))를 통해 실현되며, 이는 LTP 및 LTD 펄스의 진폭을 조절하여 도파민의 영향을 시뮬레이션한다.
• 메모리스터 장치의 도전도는 전시냅스 및 후시냅스 스파이크 간의 시간 간격(Δt)에 따라 업데이트되며, STDP 규칙 Δw = 1/Δt를 따르게 된다.
• 멀티바이브레이터(U3)는 통합된 전압이 임계값을 초과할 때 짧은 출력 펄스를 생성하여 시냅스 가중치 업데이트를 유도한다.
• 물리적 프로토타입은 도면(그림 2)을 기반으로 하며, 다양한 도파민 유사 조절 수준에서 시뮬레이션과 하드웨어 실험을 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가변 전위차계를 뉴로모듈레이터로 사용하여 물리적 메모리스터 회로가 도파민 조절성 STDP를 유산성 시냅스에서 정확하게 모방할 수 있는가?
• RQ2 도파민 유사 조절은 유산성 및 억제성 가소성에서 시냅스 가중치 변화의 진폭과 시기적 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 iSTDP로 모델링된 억제성(GABAergic) 시냅스에 도파민 조절을 확장하는 것은 가능한가? 그 결과로 관찰되는 학습 역학적 특성은 무엇인가?
• RQ4 뉴로모듈레이터 입력에 반응하여 메모리스터 장치의 도전도를 동적으로 조절할 수 있는가? 이는 생물학적 시냅스 가소성을 반영하는가?
• RQ5 전위차계 설정(V(mod))와 STDP 및 iSTDP 구성에서 발생하는 학습 펄스의 진폭 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 시뮬레이션 결과, V(mod)를 통한 도파민 유사 조절 수준을 높일수록 그림 4의 초록 선에서 볼 수 있듯이 학습 펄스의 진폭이 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
• 물리적 실현에서는 STDP 학습 펄스의 진폭이 0/50kΩ에서 50/0kΩ 전위차계 설정으로 변화함에 따라 증가하여, 시냅스 가소성의 효과적인 조절이 이루어졌음을 확인하였다.
• iSTDP 학습 기능은 성공적으로 실현되고 검증되었으며, 조절 수준을 증가시킬수록(0/1MΩ에서 750/250kΩ로) 더 높은 진폭의 학습 펄스가 발생하였다.
• 그림 4의 보라색 곡선에서 볼 수 있듯이, 메모리스터 장치의 총 도전도가 조절된 학습 펄스에 반응하여 변화함으로써 효과적인 가중치 업데이트가 이루어졌음을 입증하였다.
• 운영 증폭기 기반 회로를 사용하여 유산성 및 억제성 가소성이 성공적으로 모의되었으며, LTP 및 LTD 기능이 명확히 분리되어 있었다.
• 본 연구는 도파민 조절성 iSTDP의 첫 번째 물리적 실현을 제공하며, 향후 뉴로모듈레이션에 의한 억제성 시냅스 연구에 대한 길을 열었다.