23、硅突触：原理、电路实现与特性分析

硅突触：原理、电路实现与特性分析

1. 引言

突触在生物神经元之间起着连接作用，同样也能在硅神经元之间建立连接，是真实和人工神经网络系统中计算和信息传递的基本元素。在建模时，真实突触的非线性特性和动态变化对于软件模拟来说极为繁琐，而神经形态超大规模集成电路（VLSI）能够高效实时地重现突触动态。

生物突触主要分为电突触和化学突触，这里主要探讨化学突触。化学突触的工作原理如下：突触前膜和突触后膜被称为突触间隙的细胞外空间分隔。当突触前动作电位到来时，会触发钙离子（Ca²⁺）内流，进而导致神经递质释放到突触间隙。这些神经递质分子（如AMPA、GABA）会与突触后膜上的受体结合。受体主要有两类膜通道：离子配体门控膜通道（如AMPA通道，涉及Na⁺和K⁺离子）和离子配体门控与电压门控通道（如NMDA通道）。这些通道可以是兴奋性或抑制性的，即突触后电流可以使膜充电或放电。皮质中典型的受体有兴奋性的AMPA和NMDA受体，以及抑制性的GABA受体。突触后电流会引起突触后电位的变化，当该电位超过神经元胞体的阈值时，神经元就会产生动作电位。

描述突触神经递质动力学的框架由Destexhe等人于1998年提出。对于双态配体门控通道模型，神经递质分子T与突触后受体的结合遵循一阶动力学方案：
[R + T \underset{\beta}{\stackrel{\alpha}\rightleftharpoons} TR^ ]
其中，R和TR 分别是突触后受体的未结合和结合形式，α和β分别是递质结合的正向和反向速率常数。结合受体的比例r由下式描述：
[\frac{dr}{dt} = \alpha