[发明专利]一种神经元电路演化设计方法

说明书

本发明公开了一种神经元电路演化设计方法：根据演化硬件对电子元器件进行染色体编码，生成N组候选电路；解码染色体，将解码后的每组染色体放入演化子电路中，生成神经元离子通道等效电路的网表文件；利用电路仿真软件对网表文件进行模拟；利用适应度函数对每个染色体进行适应度评估，判断当代最佳染色体组中适应度最高的单个染色体的适应度是否达到期望值或演化代数是否达到预设值，若是，则演化结束，若否，则将当代最佳染色体组进行变异操作；将变异后的当代最佳染色体组和当代最佳染色体组重新放入演化子电路中，进行下一次迭代。本发明能从基本的电子元器件演化出电路，这些电子元器件可以精确地模拟离子通道的行为。

技术领域

本发明涉及模仿生物神经元领域，尤其涉及一种神经元电路演化设计方法。

背景技术

生物神经系统是由大量神经元细胞组成的一种具有高度并行分布处理和复杂反馈通路的非线性系统，神经元产生的动作电位脉冲序列用于表达、传递神经信息。长期以来，模拟电路一直用于对生物神经元的电特性进行建模。例如，经典的霍奇金-赫克斯利(Hodgkin-Huxley)模型代表嵌入神经元细胞膜中的离子通道，作为与电池和电阻器并联的电容器。但是，为了将模型的预测与他们的经验电生理数据相匹配，霍奇金和赫黎使用复杂的耦合微分方程组描述了非线性电阻器，这是一项著名的壮举，需要非凡的创造力和洞察力。

目前较为成熟的CMOS集成电路设计技术为神经电路的设计提供了有力的支撑。例如，欧盟支持的SpiNNaker和BrainScaleS、斯坦福大学的Neurogrid、IBM公司的TrueNorth、高通公司的Zeroth以及中科院计算所研制的“寒武纪”芯片都是典型代表。但是，设计更加符合生物特性和动力学特性的神经形态电路，仍是当前类脑智能研究领域的一个重要方向。

发明内容

本发明为了解决以上问题，提供了一种神经元电路演化设计方法，本专利仅需要神经元动作电位的电生理测试数据或者数学模型的数值计算数据，就能从基本的电子元器件演化出电路，这些电子元器件可以精确地模拟离子通道的行为。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种神经元电路演化设计方法，根据演化硬件对电子元器件进行染色体编码，生成N组候选电路，其中候选电路即为染色体；

解码染色体，将解码后的每组染色体放入演化子电路中，生成神经元离子通道等效电路的网表文件；

利用电路仿真软件对网表文件进行模拟，并输出波形数据；

利用适应度函数对每个染色体进行适应度评估，按照适应度由高到低排序选择出前N/2组染色体，并将该N/2组染色体保存为当代最佳染色体组；

判断当代最佳染色体组中适应度最高的单个染色体的适应度是否达到期望值或演化代数是否达到预设值，若是，则演化结束，若否，则将当代最佳染色体组进行变异操作；

将变异后的当代最佳染色体组和当代最佳染色体组重新放入演化子电路中，进行下一次迭代。

可选的，将电子元器件进行染色体编码的方法包括：

将电子元器件的类型作为基因的首段；

将该电子元器件的参数作为基因的中段；

将该电子元器件的端口数量连接端作为基因的尾段；

其中，首段、中段和尾段构成一个完整的基因单体，多个基因单体相连构成一个染色体，不同数量的基因单体，组成不同长度的染色体。

可选的，其中，基因的首段即电子元器件的类型都与一个唯一的数字标识符关联，电子元器件分别根据表1中的器件参数随机生成一个基因单体；

表1：