基于平面晶体管型器件的突触可塑性模拟

在数据信息膨胀的大背景下,传统的冯诺依曼体系结构的计算机早已无法满足灵活处理和存储大量信息的需求.与之相比,大脑高度并行的非线性信息处理能力展现出了明显的优势.突触是大脑神经元之间信息交换的连接渠道,突触可塑性是生物学习和记忆的分子基础,为了模拟大脑,必须研究出具有生物突触功能的物理器件,从而实现能够在功能上模拟类脑行为的神经形态电路.研究表明,对于场效应晶体管,把具有可调忆阻特性的场效应晶体管的传导沟道和栅极作为信号传输和调节模块,可以分别对应于生物突触中的离子传导和神经递质释放的过程;对于电子型晶体管,可以利用电操作模式中的OFF(ON)状态的弛豫倾向来模拟生物兴奋(抑制)过程,因而在晶体管中可以实现对突触功能的模拟.本文总结了近年来研究人员用平面晶体管结构的突触器件模拟的突触可塑性功能,包括:短时程突触可塑性(包含双脉冲易化和双脉冲抑制,动态过滤(高通滤波/低通滤波),处理时空关联的脉冲,适应等)、长时程突触可塑性、短时程向长时程的转变、放电时间依赖可塑性、分流抑制等,详细说明了这些功能的特点及模拟方法并对其未来发展进行了展望.     

学习和记忆的突触模型:长时程突触可塑性

人类大脑是由上千亿神经元相互连接而组成一个高度复杂的神经网络,是认知、学习和意识等高级功能的重要基础。神经元之间通过特化的连接结构--“突触”而相互通讯。外界输入触发的神经元活动可特异性地持续改变突触的结构和功能,这种神经活动依赖的突触变化称之为长时程突触可塑性。大量实验证据表明突触可塑性是大脑学习和记忆的分子细胞学机制,了解突触可塑性的机制对阐明中枢神经系统性相关疾病（如老年痴呆症、药物成瘾等）的机理具有重要意义。本文简要地小结了长时程突触可塑性研究中的基本发现和新近进展。     

三值ECL比较电路的研究

在数字电路中,晶体管开关元件的状态是由输入信号之间或输入信号与某固定电平之间的比较来决定的。因此,如果在代数系统中引入比较运算,则不仅可能在电路设计中更有效地发挥各开关元件的作用,而且新运算的引入可增强函数处理的能力。     

兴奋性突触活动通过内源大麻受体调节抑制性突触传递

<正>大脑功能的正常行使是建立在其神经环路电活动稳态基础上的.当环路电活动受到扰动时,神经环路其他组件,包括突触信息传递、神经元兴奋性和形态结构等也相应地发生改变,从而重建新稳态或恢复正常活动水平.这种环路活动自我调节机制称之     

浅谈节能灯器件选择及电路调试

电子节能灯的可靠性及质量是电子节能灯能否推广的关键。文章针对电子节能灯在制造过程中的元器件选择、电路调试及开关晶体管设计进行了分析。     

新型人造突触可使人工智能更加“聪明”

<正>一支国际科学家小组使用神经网络模型,研制出一种新型人造突触,适用于人工智能机器人,可使它们变得更加聪明。研究人员称,最新人造突触可使相同突触重新配置成为抑制或者兴奋信号模式,这不可能存在于之前固态人造突触系统之中。这种最新功能柔性对于确保人造神经系统更加复杂具有重要意义,能够像人类大脑一样进行动态配置。     

美国《科学》杂志评选出2001年度的十大科技进展

让分子拉起手来在 2 0 0 1年里 ,科学家们用分子组配成的基本电路 ,增加了实现全新的纳米电子世界的希望。计算机芯片技术已经伴随重大科技进展十多年了。没有计算机 ,科学家就没法来追踪气候的变迁 ,没法对整个生物体基因组进行测序 ,也没法对工作中的人脑进行成像。但是现在 ,把更多的电路融刻到硅片上却面临着一个根本上的极限。颇为令人尴尬的是 ,人们实际上也不能把电路的“内脏”———晶体管、电阻、电容以及导线———做到小得使其无法正常工作的地步。继 2 0 0 0年开发出一批纳米极装置后 ,2 0 0 1年科学家再进一步将其连接成可以…     

突触形成的最初阶段至突触成熟的电生理学研究

突触发育是神经生物学中的一个重要课题,对发育全过程的了解必定会对了解成熟突触可塑性有重要的启示.胚胎神经肌肉接点是研究这一课题的理想标本.我们曾研究了突触形成的最初阶段,发现突触后膜能诱导突触前膜自发释放神经递质.此工作后来由Haydon等人在神经元间突触标本上重复.我们还证明突触后细胞的高频电活动能促进突触发育,而低频电活动能逆转突触发育.前者逆向信使为一种神经生长因子,后者为一氧化氮.上述工作都强调了突触后膜在发育过程中的能动作用,而不只是被前膜支配的靶标,与前膜具有复杂的双向信息交流,相互识别,相互作用,从而逐步形成特异的突触结构.本文用单通道技术研究了突触形成的全过程,强调了突触后膜能诱导突触前神经元在与后膜接触部位堆积神经递质.     

睡眠开关

<正>每天把你喊去休息的是什么?是时间,是哈欠,还是父母的叮咛,或是明天的压力?来自英国的科学家发现,这些都不是真正喊你去睡觉的原因。在我们的大脑中有一种"开关",正是它会告诉你什么时候应该睡觉。科学家认为,这种"睡眠开关"通过大脑神经细胞进行调控,它类似于一种"同态调节器"。当你已经很久没有休息,身体正处于疲劳状态时,这个开关就会启动,不断向你的大脑发出信息:我的"主人"该睡觉了。     

脑机接口的物理学

<正>西德尼·珀科维兹深入浅出地介绍研究人员为研发更安全、更耐用、惠及更多人群的脑机接口所做的诸多前沿工作。人类大脑是一种复杂到惊人的机器。人类大脑皮层拥有800多亿个神经元,每个神经元又有1000个突触。我们的大脑每秒大约要处理100兆比特的信息。想象一下,要是在我们思考的时候,尝试实时测量、提取并解释我们大脑中的所有信号,会是什么场景？记录大脑曾经只是科幻小说和电影——比如《X战警》（X-Men）和《黑客帝国》（The Matrix）——才有的情节,但现在,我们真的有可能把大脑同计算机连在一起,并且通过这种系统控制机械手臂,或者把你脑海中的想法记录下来。     

生物芯片

有些生物分子和生物功能可以在电子器件中利用,例如从嗜盐细菌中分离出来的噬菌调理素,经过光照射以后,可以起质子泵的作用,具有顺-反开关功能,在存储器和开关器件中有实用价值。又如铁原子的分子中所含的细胞色素C和细胞色素C_3,可以用作存储器元件。因此,用生物分子可以具体做成生物芯片。生物芯片模型的研究主要是研究低等动物的神经系统,一开始是从分子水平上研究神经轴突的神经刺激、突触的神经传递系统、神经中枢的信息处理系统。例如,用鱿鱼作为模型,控制背部细胞体质的神经刺激,制成一个新模型,用作神经膜;应用一种低等线虫的神经系统来说明信息处理方法;     

人去甲肾上腺素转运蛋白基因的研究

去甲肾上腺素(NE)是儿茶酚胺类递质的一种,存在于节后交感神经和中枢神经系统内.在去甲肾上腺素能神经元中,突触传递包括3个步骤:NE由突触前膜释放到突触间隙;间隙中的NE与突触后膜上的受体作用;接着NE被突触前神经元或胶质细胞重新吸收.NE再摄取的过程需要钠离子依赖性的去甲肾上腺素转运蛋白(NET)参与.NET是一类药物的作用     

人体内的睡眠因子

自本世纪初以来,一些神经生物学家力求通过在狗的体内注入缺乏睡眠的狗的血液来引起睡眠。他们的假设是这样的:一天的大脑活动引起某种毒素增加,当这种毒素达到一定量时,就引起催眠。这种睡眠能起到一种“解毒”作用,至大脑活动能重新开始(苏醒)。为寻找体液中睡眠因子的工作进行了     

大脑如此奇妙

再平常的人脑也绝不简单。成年人大脑中约有1000亿个神经元,每个神经元与周围细胞构成约5000个突触连接,大脑每秒钟产生和衰灭100万个新连接。信息在大脑中能够储存100多年,并且会按需自动分类、反复归档、编译剪辑。大脑能利用一系列传感器采集振动、电磁辐射、化学物质以及压力等信息,来重构周围环境,在几毫秒内分出事情的轻重缓急。大脑能支配640多块肌肉,还包揽产能、生殖和基本生命活动等机要工作。然而,有些大脑更不平常,甚至超越我们的想象。最天才、最聪明的大脑何以能脱颖而出?什么样的大脑能挑战人类成就极限?     

怎么·什么·为什么

鹦鹉很善于模仿人类说话。因此,从古时候起,人们就把马上和别人说同样的话这一行为叫做“鹦鹉学舌”。 不过,鹦鹉只能模仿很短的一句话,而另外一种叫做阿苏儿的小鸟却能模仿很长的一句话。此外,乌鸦、白头翁等鸟类也有模仿短话的本领。还有一种叫做伯劳的野鸟,它能把其他小鸟的叫声模仿得惟妙惟肖。 这些善于模仿发音的鸟,大脑中枢特别发达。它们把耳朵听到的声音利用耳神经传达给大脑中枢,再     

用分子计算

计算机的速度能够达到多快?功能可以有多强大?可不可能有这么一天，人们创造出的人工“大脑”的智力与人类大脑相当——甚至优于人类?这些问题的答案在很大程度上以一个因素为基础，而这个因素就是：我们能够制得多小尺寸的计算机电路，以及能达到多大的集成密度。     

糖损害基因 鱼油能逆转

正从糖尿病到心血管病,从老年痴呆到注意力不集中症,一系列疾病都与大脑中的基因改变有关。美国加州大学科学家的一项新研究发现,现代饮食中常见的果糖(蔗糖的一种)会损害成百上千个脑基因,从而引起上述疾病。但科学家还发现,一种欧米茄-3脂肪酸——DHA,看来能全面逆转由果糖造成的有害改变。DHA在我们的脑细胞膜中天然发生,但数量不足以抵抗疾病。正因为大脑和人体都缺乏制造DHA的机制,所以DHA必须从我们的饮食中摄取。DHA强化大脑突触,提高学习和记忆能力。野生(而非人工     

生物为何需要睡眠

正最近,日本东京大学池谷裕二教授领导的一个研究小组发现了睡眠中大脑海马神经电路冷却的机制。该研究阐释了控制脑电路功能的睡眠的作用,明确解答了生物为何需要睡眠这一根源性问题。研究小组发现,海马体发出的称为"尖波涟漪"(sharp wave ripple,SWR)的脑波,可以减弱睡眠时突触的联系程度。即SWR在保证必要信息的同时,减弱不必要的突触联系,以确保存储容量。此外,     

漫谈生物计算机

人类的大脑可能是世界上最先进的超级计算机,它并不存在任何一个半导体集成电路块,只是由生物有机分子通过巧妙的结合而构成的高度复杂的神经网络。通过生物分子的功能,大脑能够进行记忆、计算、思维,以及分析比较、理解与处理、自身修复、思考与感知等等。由于微电子技术的高速发展,作为计算机核心元件的集成电路的制造工艺,已经达到了理论极限,半导体硅芯片因电路密集引起的散热问题到了难以解决的程度,也阻碍了计算机的进一步发展。如何进一步提高计算机的性能,未来的计算机模式又是怎样的呢?生物分子特别是蛋白质的一些特殊性质,给苦于寻找新材料的计算机设计者们提供了许多有益的启示     

辅酶类核开关的种类、结构和调控机制研究进展

核开关是一类保守的RNA元件,可以通过特异性识别小分子配体来开启或关闭下游相关基因的表达,进而调控细胞的生命活动。目前已鉴定出近60种核开关,它们分别识别不同的代谢物或小分子配体。随着这些核开关的发现,它们的序列特征、高级结构以及调控机制逐渐成为核开关领域的研究热点。截至目前,大部分核开关的三维结构已经被解析,相关研究不仅阐明了这些核开关对配体的特异性识别方式,还从分子层面阐释了其对下游基因表达的调控机制,为开发核开关相关应用提供了重要的研究基础。文章综述了目前已鉴定的核开关的种类和主要功能,详细探讨了辅酶类核开关的三维空间结构和配体识别机制,并展望了核开关的研究前景及潜在应用。