二阶忆阻器耦合异质神经元模型：多吸引子、多稳定性及硬件实现

《Cognitive Neurodynamics》：Second-order memristor-coupled heterogeneous neuron model: multi-attractor, multi-stability, and hardware implementation

　　

摘要

基于忆阻器的神经模型为重现受生物启发的放电活动并实现神经形态硬件提供了一个有前景的框架。在本研究中，我们引入了一种二阶忆阻器 (SOM) 突触来耦合禁忌学习神经元 (TLN) 和 FitzHugh-Nagumo (FHN) 神经元，从而开发了一种异构神经模型。首先提出了一种新型 SOM 模型，并表明其具有双记忆特性，与传统的一阶忆阻器相比，提供了更丰富的状态依赖调节。通过利用这种增强的记忆机制，SOM 作为一个自适应非线性突触，极大地丰富了耦合神经系统的动力学行为库。所提出的模型表现出多种复杂行为，包括混沌、超混沌、共存吸引子、多稳定性和复杂的多蝴蝶吸引子。基于分岔图、李雅普诺夫指数谱、熵复杂度度量、吸引域和 0-1 混沌检验的综合非线性分析揭示了潜在的动力学演化。值得注意的是，SOM 参数可以灵活调节共存蝴蝶吸引子的数量和分布，而忆阻器初始状态的微小扰动会使轨迹趋向于不同的渐近状态，表现出极端敏感性和依赖于记忆的状态选择。这些发现揭示了一个此前未被探索的机制，即高阶忆阻记忆如何塑造异构神经动力学。为了验证理论结果，开发了所提出模型的模拟电路实现方案。电路仿真和基于 FPGA 的硬件实验都成功重现了预测的动力学现象，证实了所提出神经模型的物理可实现性和鲁棒性。结果突显了二阶忆阻突触在构建高度可重构神经形态系统以及推进对记忆诱导认知神经动力学理解方面的潜力。