Spike Timing Dependent Plasticity-STDP

脈沖時(shí)序依賴可塑性是Hebb學(xué)習(xí)的時(shí)間不對(duì)稱形式，由突觸前后神經(jīng)元脈沖緊密的時(shí)間相關(guān)性引起。Hebb學(xué)習(xí)提出如果兩個(gè)神經(jīng)元常常一起活動(dòng)，則二者的聯(lián)系會(huì)增強(qiáng)。

STDP則是進(jìn)一步提出，兩個(gè)神經(jīng)元之間的活動(dòng)，如果其他神經(jīng)元的信息在本次活動(dòng)產(chǎn)生之前，則兩神經(jīng)元之間的連接會(huì)增強(qiáng)。如果神經(jīng)元本身產(chǎn)生活動(dòng)之后才接受其他神經(jīng)元傳來(lái)的信息，則兩神經(jīng)元之間的連接會(huì)減弱。

也就意味著當(dāng)突觸前脈沖先于突觸后脈沖到達(dá)時(shí)（pre-post spiking），能夠引起長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）；當(dāng)突觸后脈沖先于突觸前脈沖到達(dá)時(shí)（post-pre spiking），能夠引起長(zhǎng)時(shí)程抑制（LTD）。

網(wǎng)上有另一個(gè)形象的例子就是：如果你每次跳完一段新疆舞后，就給狗食物吃，狗在看你跳舞時(shí)便會(huì)認(rèn)為離吃食物不遠(yuǎn)了而留口水；但是如果每次你在給狗吃東西之后才跳一段新疆舞，那么狗就會(huì)認(rèn)為你有病，大倒胃口，“控制”流口水的神經(jīng)元與傳遞你跳新疆舞的神經(jīng)元之間的連接就被減弱啦。

以突觸前后動(dòng)作電位的時(shí)間相關(guān)函數(shù)標(biāo)定的突觸的變化稱為STDP函數(shù)或突觸類型的學(xué)習(xí)窗和變化。帶有脈沖相關(guān)時(shí)序性質(zhì)的STDP函數(shù)的快速變化表明在毫秒尺度上進(jìn)行時(shí)間編碼方案的可能。

在典型的STDP實(shí)驗(yàn)中，突觸是通過(guò)注射短電流脈沖使突觸后神經(jīng)元發(fā)射脈沖不久之前或之后，刺激突觸前神經(jīng)元來(lái)激活的。突觸的權(quán)重是以突觸后神經(jīng)元電勢(shì)的幅值來(lái)衡量。突觸權(quán)重的變化由突觸前脈沖的到達(dá)和突觸后的激發(fā)的相對(duì)時(shí)序的函數(shù)來(lái)表示。

值得注意的是，不同的突觸具有不同形式的STDP函數(shù)。和其他的突觸可塑性相比，STDP特別具有吸引力是因?yàn)樗徽J(rèn)為是生物可解釋的。在生物的大腦中，動(dòng)作電位經(jīng)常非常精確的定時(shí)于外界的刺激，盡管并不是所有的腦區(qū)和細(xì)胞類型都是如此。

下面我想舉一個(gè)文獻(xiàn)中晶體管突觸模擬STDP的例子，在三端電控晶體管突觸中，柵電極一般作為施加電刺激的突觸前電極，源漏電極中間的溝道層可認(rèn)為是突觸后膜，突觸信號(hào)通過(guò)溝道傳導(dǎo)，而傳導(dǎo)信號(hào)由突觸前電極進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這個(gè)過(guò)程中，信號(hào)的處理和傳輸是并行進(jìn)行的，這與生物神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理相似，也是三端晶體管突觸的優(yōu)勢(shì)之一。

摘取之前有一篇公眾號(hào)里面關(guān)于晶體管突觸STDP的測(cè)試結(jié)果如下：

有沒(méi)有看到這兩張圖會(huì)跟我有一樣的疑問(wèn)：為什么模擬STDP居然要用到兩個(gè)晶體管突觸？這結(jié)果又是什么意思？激勵(lì)信號(hào)又是怎么加上去的？

我猜想用到兩個(gè)晶體管突觸來(lái)模擬STDP是因?yàn)檫@篇文章提出的單個(gè)晶體管突觸不能模擬STDP。作者將突觸前脈沖和突觸后脈沖定義為在第一和第二個(gè)突觸晶體管上所加的光刺激信號(hào)。具體的定義和計(jì)算如下：

通過(guò)上述公式，我們好像可以模仿著怎么去測(cè)試晶體管突觸的STDP特性，但是讓我們?cè)僮屑?xì)回憶下，這個(gè)STDP的結(jié)果和之前STDP的分析有什么關(guān)系呢？說(shuō)到底這個(gè)STDP結(jié)果只論證了間隔時(shí)間對(duì)于權(quán)重的影響，但是時(shí)間的先后順序?qū)τ跈?quán)重的抑制效果我沒(méi)看到呀（有人理解了可以私信跟我分享呀）。所以利用兩個(gè)晶體管整這么一出的意義到底在哪里？

話說(shuō)回來(lái)其實(shí)我挺希望大家互相幫助一起學(xué)習(xí)的，就比如我還沒(méi)算對(duì)上一篇文章里的功耗，就沒(méi)有算對(duì)的小伙伴可以私信下我么？？？！！！

已有一定基礎(chǔ)的高階學(xué)習(xí)者可以繼續(xù)參考（沒(méi)看懂）：Spike-timing dependent plasticity - Scholarpedia，中文翻譯版本：SNN系列｜學(xué)習(xí)算法篇(6)脈沖時(shí)序依賴可塑性STDP_Tianlong Lee的博客-CSDN博客_脈沖時(shí)間依賴可塑性

審核編輯：劉清