眨眼反射習(xí)慣化的憶阻橋突觸實(shí)現(xiàn)與特性分析

王 晨，杜天一，常 輝，李玉霞

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

突觸作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，是神經(jīng)元連接的樞紐。電子突觸作為生物突觸物理實(shí)現(xiàn)模式，可以通過改變動(dòng)作電位調(diào)節(jié)其連接強(qiáng)度，模擬生物突觸功能，為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供支撐。然而，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)器件的突觸電路，存在電路復(fù)雜度高、所占面積大和功耗高等不足，不利于突觸數(shù)量的大幅增加。與傳統(tǒng)突觸相比，憶阻突觸具有納米尺寸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低能耗等特點(diǎn)，可以降低電路的復(fù)雜度[1-2]。憶阻器可通過控制流過的電荷量或磁通量來(lái)改變其阻值，與突觸連接權(quán)值類似。因此，單個(gè)憶阻器即可模擬突觸的基本功能，促進(jìn)電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化。目前，很多學(xué)者已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種基于憶阻器的突觸電路來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)短期可塑性[3]、尖峰速率依賴可塑性[4]、尖峰時(shí)序依賴可塑性[5]、學(xué)習(xí)算法[6]、聯(lián)想記憶[7]等等。突觸可塑性是神經(jīng)元連接的重要機(jī)制，是神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。利用人工突觸實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和記憶對(duì)于實(shí)現(xiàn)神經(jīng)計(jì)算和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

神經(jīng)記憶分為聯(lián)想記憶和非聯(lián)想記憶[8]。其中，巴普洛夫提出的聯(lián)想記憶被廣泛研究[9]。非聯(lián)想記憶作為生物學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境不可或缺的模式，主要包括習(xí)慣化和敏化[8]。習(xí)慣化是對(duì)外界刺激的儲(chǔ)存和提取的表達(dá)，是最簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)方式。對(duì)非聯(lián)想記憶學(xué)習(xí)的研究大部分基于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的無(wú)脊椎生物，例如海兔鰓縮反射[10]、蠅和秀麗隱桿線蟲的學(xué)習(xí)和記憶以及無(wú)脊椎生物的防御性撤退反射[11]。對(duì)于復(fù)雜生物非聯(lián)想記憶的習(xí)慣化，科研人員較為關(guān)注的是眨眼反射習(xí)慣化[12-14]。眨眼反射屬于自發(fā)的、非習(xí)得的非條件反射，而眼睛對(duì)刺激無(wú)反應(yīng)的過程又屬于條件的、習(xí)得的條件反射，眨眼反射的習(xí)慣化過程是一種學(xué)習(xí)記憶過程。因此，利用眨眼反射習(xí)慣化作為研究非聯(lián)想記憶的載體具有現(xiàn)實(shí)的可行性和合理性。文獻(xiàn)[12]研究正常被試者和精神分裂被試者的眨眼反射習(xí)慣化行為，發(fā)現(xiàn)了精神分裂者眨眼習(xí)慣化所需時(shí)間比正常被試者長(zhǎng)，說(shuō)明眨眼反射習(xí)慣化的過程屬于受大腦控制的學(xué)習(xí)過程；文獻(xiàn)[13]研究分析了眨眼反射習(xí)慣化過程中腦干信號(hào)逐漸變?nèi)醯脑?；文獻(xiàn)[14]研究了短電刺激眼眶神經(jīng)，誘發(fā)眨眼反射，進(jìn)而形成習(xí)慣化直至眨眼反射消失的過程，并且對(duì)眨眼反射與大鼠全身驚嚇進(jìn)行了比較。以上眨眼反射的研究主要基于臨床試驗(yàn)，通過采集電信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

憶阻器作為一種理想的結(jié)構(gòu)模式，可以在神經(jīng)網(wǎng)路中實(shí)現(xiàn)突觸權(quán)重，充當(dāng)乘法器電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬乘法器[15-16]。構(gòu)造憶阻突觸電路可以實(shí)現(xiàn)非聯(lián)想記憶的仿真，為進(jìn)一步揭示人類思維模式提供必要的支撐。如文獻(xiàn)[8，10]構(gòu)造了單憶阻的突觸電路，模擬海兔鰓縮反射習(xí)慣化過程中的信號(hào)特征及信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。然而，設(shè)計(jì)憶阻突觸電路對(duì)眨眼反射由非條件反射向條件反射的構(gòu)建過程的研究仍鮮見報(bào)道。本研究設(shè)計(jì)了憶阻橋突觸電路，通過憶阻橋突觸電路的阻值和電路輸出電壓的變化模擬生物眨眼反射的相關(guān)特性。

1 基于憶阻橋的突觸電路構(gòu)建

1.1 憶阻器模型

憶阻器描述了電荷與磁通量之間的關(guān)系：

(1)

式中：M(q)表示憶阻器的阻值，φ(q)表示電荷和磁通量的關(guān)系[16]，q表示流經(jīng)憶阻器的電荷?；萜展局圃斓幕萜諔涀杵饔摄K電極之間夾兩層鈦氧化物薄膜組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，一層為沒有氧空位的TiO2薄膜，表現(xiàn)出高阻抗特性，為非摻雜層；另一層具有氧空位的TiO2薄膜，稱為摻雜層(TiO2-x層)。憶阻兩端施加電壓時(shí)，摻雜層和非摻雜區(qū)層之間的邊界會(huì)發(fā)生移動(dòng)，引起阻值變化[17]。

圖1 惠普憶阻器模型

惠普憶阻器的電阻為摻雜區(qū)和非摻雜區(qū)的電阻之和，即

Rmem(x)=Ronx+Roff(1-x)，

(2)

(3)

式中：Rmem是惠普憶阻器的阻值；Ron、Roff分別是惠普憶阻器阻值導(dǎo)通和閉合時(shí)兩個(gè)極限值，通常Ron遠(yuǎn)大于Roff；x是憶阻器內(nèi)部狀態(tài)，為摻雜層厚度w與總TiO2薄膜厚度D的比值，x對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)方程為：

(4)

特別地，對(duì)于給定的理想惠普憶阻器，μv、Ron以及D的值都是固定不變的(即比例因子k為常數(shù))，說(shuō)明該模型中離子的運(yùn)動(dòng)呈線性變化，因此這種惠普憶阻器模型也可以稱為線性雜質(zhì)漂移模型或理想憶阻器模型[18]。但對(duì)實(shí)際憶阻器施加微小電壓就能夠產(chǎn)生巨大的電場(chǎng)，導(dǎo)致能量勢(shì)壘快速減少，使惠普憶阻器內(nèi)部離子的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)明顯的非線性特征。特別地，這種非線性特征在惠普憶阻器的邊界尤為顯著，嚴(yán)重影響離子遷移速度，即摻雜區(qū)與非摻雜區(qū)之間的邊界移動(dòng)速度逐漸降低至零，這個(gè)現(xiàn)象稱為非線性摻雜漂移[17]。為了解決這個(gè)現(xiàn)象，引入Joglekar窗函數(shù)[18-19]，即在式(4)右側(cè)乘以一個(gè)非線性窗函數(shù)f(x)，式(4)可簡(jiǎn)化為：

(5)

式中：μv=10-14m2/(s·V)；f(x)是用來(lái)模擬非線性漂移現(xiàn)象的窗函數(shù)，f(x)=1-(2x-1)2p；p用于描述非線性程度，p=0.7。在惠普憶阻器模型中引入窗函數(shù)，可以解決邊界效應(yīng)，控制參數(shù)較少，使得基于惠普憶阻器設(shè)計(jì)的電路能夠較好地展示突觸特性。

1.2 憶阻橋突觸電路

在個(gè)人集成電路專用模擬程序(personal simulation program with intergrated circuit emphasis,PSPICE)中，用6個(gè)惠普憶阻器模型組成六憶阻橋結(jié)構(gòu)、差分比例運(yùn)算電路和反向放大器構(gòu)建突觸模擬電路，如圖2所示。

圖2 突觸模擬電路

圖2中，V1和V2代表輸入電壓信號(hào)，憶阻橋阻值的增大或減少由差分比例運(yùn)算電路的輸出電壓Vo1控制，Vo幅值大小表示突觸電路對(duì)刺激的反應(yīng)程度。

(6)

式中：Ri表示圖2中電阻Ri的電阻值，i=1,2,3,4。令R1=R2，R3=R4，則式(6)可簡(jiǎn)化為：

(7)

設(shè)憶阻橋總電阻Rm，則有

(8)

將式(7)代入式(8)，且令R6=R7，可得：

(9)

由式(9)可得：

(10)

為了分析突觸電路的特性，設(shè)置參數(shù)為：R1=R2=R3=R4=R5=1 kΩ，R6=R7=1 Ω；采用運(yùn)算放大器LM675，Ron=100 Ω，Roff=10 kΩ，D=10 nm，uv=10-14m2/(s·V)，p=0.7，Rint=600 Ω；V1為脈沖電壓，V2為直流正電壓。

2 眨眼反射習(xí)慣化特性分析

2.1 眨眼反射的習(xí)慣化

眨眼反射作為生物的一種自我保護(hù)，各種刺激均會(huì)觸發(fā)這種行為，是生物對(duì)潛在危險(xiǎn)作出快速反應(yīng)的自我保護(hù)機(jī)制[12,14,20]。眨眼反射并不是單純的條件或者非條件反射，不經(jīng)意地眨眼屬于非條件反射，而隨意眨眼或者刻意不眨眼則屬于條件反射。眨眼反射的習(xí)慣化是眼睛適應(yīng)無(wú)害刺激，對(duì)刺激反應(yīng)逐漸減弱直至消失的過程(即學(xué)習(xí)過程)。當(dāng)眨眼形成習(xí)慣化后，同種刺激將不會(huì)觸發(fā)眨眼反射；當(dāng)停止刺激一段時(shí)間后，再次施加刺激，則仍會(huì)觸發(fā)眨眼反射，稱之為習(xí)慣化恢復(fù)。

習(xí)慣化是生物逐漸適應(yīng)無(wú)害刺激的過程，習(xí)慣化地恢復(fù)為生物忘記部分已經(jīng)具有的特定反應(yīng)。例如，當(dāng)對(duì)眼睛進(jìn)行單次刺激時(shí)，會(huì)產(chǎn)生眨眼反射，當(dāng)對(duì)眼睛進(jìn)行連續(xù)的同種無(wú)害刺激，眼睛就會(huì)產(chǎn)生習(xí)慣化，該類刺激不再觸發(fā)眨眼反射，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)行為的鞏固與強(qiáng)化。用突觸電路模擬生物的學(xué)習(xí)過程在人工智能應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 單憶阻和憶阻橋突觸的反應(yīng)特性及耗能比較

當(dāng)使用一個(gè)惠普憶阻器替換圖2中6個(gè)惠普憶阻器組成的憶阻橋結(jié)構(gòu)時(shí)，該電路稱為單憶阻突觸，單憶阻突觸的總阻值表示為Rm1。分別對(duì)單憶阻突觸和憶阻橋突觸施加峰值為5 V、周期為2 ms的脈沖電壓刺激信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，如圖3所示。

由圖3(b)、3(c)可見，單憶阻突觸與憶阻橋突觸的阻值均隨刺激信號(hào)的輸入而逐漸增大，表明突觸的連接不斷增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)刺激信號(hào)的反應(yīng)不斷減弱。其中，單憶阻突觸在每次受到刺激信號(hào)時(shí)，連接增強(qiáng)后會(huì)階段性出現(xiàn)強(qiáng)度變?nèi)?，這與生物突觸由于遺忘特性而出現(xiàn)連接強(qiáng)度變?nèi)醯倪^程類似，如圖3(b)所示。在施加持續(xù)刺激時(shí)，單憶阻突觸對(duì)刺激形成習(xí)慣化，其習(xí)慣化過程所需時(shí)間較長(zhǎng)，約50 ms。憶阻橋突觸受到刺激時(shí)連接也會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)在短暫刺激去除后繼續(xù)保持一段時(shí)間的記憶，表現(xiàn)為抗遺忘過程，如圖3(c)所示。在施加持續(xù)刺激時(shí)，憶阻橋突觸形成習(xí)慣化，其習(xí)慣化過程所需時(shí)間較短，約24 ms。

對(duì)比兩種突觸對(duì)相同刺激的反應(yīng)可以看出，憶阻橋突觸存在較強(qiáng)的尖峰(圖3(c)中的34、50 ms等處)，說(shuō)明憶阻橋突觸在形成習(xí)慣化過程中的某時(shí)刻對(duì)刺激作出強(qiáng)烈反應(yīng)，突觸的阻值瞬間大幅度變化并立即恢復(fù)，這個(gè)現(xiàn)象符合生物單個(gè)神經(jīng)元的特性，表明憶阻橋突觸具有自我調(diào)節(jié)能力，能夠?qū)罄m(xù)刺激快速反應(yīng)，促進(jìn)記憶的形成與保持，具有抗遺忘性，這也與生物體的學(xué)習(xí)記憶和保存特征一致。

圖3 同種刺激信號(hào)下單憶阻突觸和憶阻橋突觸的連接強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

對(duì)刺激信號(hào)學(xué)習(xí)的過程中，由于單憶阻突觸具有遺忘性，在后續(xù)刺激信號(hào)的學(xué)習(xí)中，會(huì)損耗一部分能量“復(fù)習(xí)”上一次的學(xué)習(xí)過程，導(dǎo)致周期內(nèi)的損耗逐漸增加。憶阻橋突觸比單憶阻突觸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在開始的學(xué)習(xí)中，需要損耗較多的能量激活憶阻橋突觸，而由于憶阻橋突觸的抗遺忘特性，后續(xù)刺激信號(hào)的學(xué)習(xí)所損耗的能量逐漸降低，即周期內(nèi)的損耗逐漸降低。兩種突觸的耗能分別如圖4(a)、4(b)所示。

計(jì)算給予突觸刺激信號(hào)一段時(shí)間內(nèi)的損耗電能

(11)

W1=S1+S2+…+S30=6.63×10-3J，W2=S1+S2+…+S30=6.31×10-3J。

(12)

由式(12)結(jié)果可知，憶阻橋突觸在學(xué)習(xí)過程中消耗的總電能比單憶阻突觸消耗的電能低3.2×10-4J，兩種突觸的耗能變化曲線如圖4(c)所示。在11.3 ms之前，憶阻橋突觸的損耗比單憶阻突觸高5%；11.3～60 ms內(nèi)，憶阻橋突觸的損耗比單憶阻突觸低7.3%。在突觸電路學(xué)習(xí)60 ms的過程中，憶阻橋突觸的總損耗比單憶阻突觸的總損耗低4.8%。

圖4 兩種憶阻突觸的耗能

對(duì)比以上結(jié)果可知，憶阻橋突觸具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是憶阻橋突觸在學(xué)習(xí)達(dá)到飽和的過程中所需要的時(shí)間相對(duì)較少；二是憶阻橋突觸學(xué)習(xí)過程的損耗降低，且憶阻橋突觸在形成習(xí)慣化的過程中可以保持記憶，具有抗遺忘特性，能快速達(dá)到習(xí)慣化，有利于后續(xù)開展眨眼反射習(xí)慣化特性的仿真研究。憶阻橋突觸對(duì)刺激作出反應(yīng)過程中出現(xiàn)的尖峰現(xiàn)象有利于加速形成習(xí)慣化，對(duì)遺忘有抵抗作用。

2.3 憶阻橋突觸的學(xué)習(xí)與抗遺忘特性

由于三角波電壓信號(hào)的值可以從零逐漸增加到最大值，之后再逐漸減少到零，可以模擬實(shí)驗(yàn)所需要的一個(gè)由遠(yuǎn)及近過程的外界刺激。故選擇三角波電壓信號(hào)輸入憶阻橋突觸，模擬眨眼反射所需的外界刺激，如圖5所示，共施加5次刺激信號(hào)。其中，三角波電壓信號(hào)最大值代表刺激信號(hào)最強(qiáng)，距離眼睛最近；最小值代表刺激最弱，距離眼睛最遠(yuǎn)。

圖5 三角波電壓信號(hào)

如圖6所示，受到三角波電壓信號(hào)的刺激時(shí)，憶阻橋突觸的阻值增加，連接增強(qiáng)。在刺激消失后的一段時(shí)間內(nèi)，憶阻橋突觸阻值基本保持不變，再次受到刺激時(shí)，突觸的阻值在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)增強(qiáng)后保持不變。這個(gè)過程與生物的學(xué)習(xí)過程和眼睛適應(yīng)外界刺激過程是一致的，表明憶阻橋突觸能夠記憶先前刺激所產(chǎn)生的反射信息，具有記憶性和抗遺忘性。

圖6 三角波電壓信號(hào)刺激下的憶阻橋突觸的阻值

2.4 憶阻橋突觸對(duì)強(qiáng)、弱刺激信號(hào)的反應(yīng)

為便于研究，規(guī)定低于50 V的電壓信號(hào)為弱刺激信號(hào)，高于50 V的電壓信號(hào)為強(qiáng)刺激信號(hào)。對(duì)憶阻橋突觸電路分別施加弱、強(qiáng)刺激信號(hào)，分析憶阻橋突觸的反應(yīng)特性。

2.4.1 弱信號(hào)下憶阻橋突觸的反應(yīng)特性

在憶阻橋突觸的R1左側(cè)輸入圖7所示的弱刺激信號(hào)時(shí)，憶阻橋突觸的阻值變化情況，如圖8所示。

圖7 連續(xù)弱刺激信號(hào)

圖8 憶阻橋突觸阻值的變化

由圖8可見，當(dāng)施加弱刺激信號(hào)時(shí)，憶阻橋突觸的阻值產(chǎn)生明顯尖峰，即阻值瞬間增加后急劇減少，這與生物突觸的反應(yīng)過程一致。受到初次刺激時(shí)突觸的阻值增大，連接增強(qiáng)。經(jīng)過幾次同種信號(hào)刺激，突觸對(duì)刺激產(chǎn)生的波峰逐漸變?nèi)?，連接強(qiáng)度降低，逐漸形成習(xí)慣化。當(dāng)刺激信號(hào)取消約3.2 ms后，突觸的阻值開始降低，對(duì)弱刺激信號(hào)習(xí)慣化開始遺忘。

2.4.2 強(qiáng)信號(hào)下憶阻橋突觸的反應(yīng)特性

圖9為將電壓為50 V且與弱刺激信號(hào)相同波形的強(qiáng)刺激信號(hào)施加給憶阻橋突觸時(shí)的阻值變化情況。對(duì)比圖8發(fā)現(xiàn)，憶阻橋突觸的阻值增大，連接不斷增強(qiáng)且無(wú)明顯的波動(dòng)。0～0.8 ms時(shí)，突觸的阻值增量為0.12 kΩ；0.8～1.6 ms時(shí)，阻值增量為0.11 kΩ；1.6～2.4 ms時(shí)，阻值增量為0.09 kΩ；2.4～3.2 ms時(shí)，阻值增量為0.07 kΩ。表明隨著刺激的輸入，阻值的增量逐漸減少，這個(gè)現(xiàn)象類似生物突觸連接穩(wěn)定的過程，即學(xué)習(xí)過程。當(dāng)強(qiáng)刺激信號(hào)消失后，突觸的阻值下降緩慢，保持學(xué)習(xí)后的特性，即受到刺激作出的反應(yīng)沒有消失而是記憶在系統(tǒng)中。整個(gè)過程表明，憶阻橋突觸對(duì)強(qiáng)信號(hào)刺激產(chǎn)生學(xué)習(xí)行為，并且具有記憶和抗遺忘性。

圖9 憶阻橋阻值變化

實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)憶阻橋突觸施加弱刺激信號(hào)時(shí)，突觸的阻值出現(xiàn)明顯的尖峰現(xiàn)象；施加強(qiáng)刺激信號(hào)時(shí)，突觸的阻值出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象相對(duì)較少。當(dāng)弱刺激信號(hào)消失后，突觸建立的連接會(huì)大幅度減弱，表示對(duì)弱刺激信號(hào)遺忘，類似眼睛對(duì)弱刺激的遺忘過程；當(dāng)強(qiáng)刺激信號(hào)消失后，突觸電路在強(qiáng)刺激信號(hào)下建立的連接在一段時(shí)間內(nèi)基本不變，表示對(duì)強(qiáng)刺激信號(hào)具有抗遺忘性。這個(gè)過程與眼睛對(duì)強(qiáng)、弱刺激的學(xué)習(xí)記憶過程相似，可以模擬眼睛對(duì)強(qiáng)、弱刺激的不同反應(yīng)特性。

2.5 眨眼反射的短期習(xí)慣化實(shí)現(xiàn)

眨眼反射的短期習(xí)慣化是指眼睛在短期內(nèi)受到刺激時(shí)，眼睛不發(fā)生眨眼動(dòng)作，一段時(shí)間后再受到刺激時(shí)，眼睛仍會(huì)產(chǎn)生眨眼動(dòng)作的過程。

2.5.1 憶阻橋突觸對(duì)無(wú)間隔刺激的反應(yīng)特性

如圖10(a)所示，在憶阻橋突觸R1左側(cè)施加兩段間隔約10 ms、時(shí)長(zhǎng)約2 ms的刺激信號(hào)，在R2端施加5.5 V的正電壓。輸入第一段連續(xù)刺激信號(hào)時(shí)，突觸的阻值連續(xù)增大；撤去該刺激信號(hào)后，突觸的阻值緩慢降低。輸入第二段連續(xù)刺激信號(hào)時(shí)，突觸的阻值在抗遺忘的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，表現(xiàn)出記憶保持和更新特性，如圖10(b)所示。

圖10(c)為憶阻橋突觸對(duì)無(wú)間隔刺激的電壓輸出變化情況。輸出電壓增大，表明突觸的抵抗眨眼能力增強(qiáng)。在0～2 ms時(shí)間段內(nèi)，輸出電壓V0.2 ms=152.47 V，V0.6 ms=158.97 V，V1 ms=173.56 V，V1.4 ms=183.02 V(Va=b表示a時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓值為b)，計(jì)算輸出電壓變化率為：

圖10 無(wú)間隔刺激下憶阻橋突觸的反應(yīng)

(13)

式中：v(a,b)表示起始兩時(shí)刻a、b之間的變化率；ΔVa,b表示a、b兩點(diǎn)的電壓差。

在12～14 ms時(shí)間段內(nèi)，輸出電壓V12.2 ms=153.9 V，V12.6 ms=167.17 V，V13 ms=183.59 V，V13.4 ms=190.89 V，計(jì)算輸出電壓幅值變化率為：

(14)

比較不同時(shí)段輸出電壓的變化率可知，第一次刺激對(duì)應(yīng)的輸出電壓幅值增長(zhǎng)率比第二次低，即受到第一次刺激后經(jīng)過一段時(shí)間再受到相同刺激時(shí)，電壓幅值增大的速率明顯增加。表明憶阻器突觸對(duì)之前受到的刺激進(jìn)行了學(xué)習(xí)和記憶，再次受到相同刺激時(shí)快速作出反應(yīng)，也驗(yàn)證了憶阻器突觸具有快速學(xué)習(xí)和記憶保持能力，能夠模擬眨眼反射的短期習(xí)慣化。

2.5.2 憶阻橋突觸對(duì)有間隔刺激的反應(yīng)特性

對(duì)憶阻橋突觸R1左側(cè)施加4次三角波信號(hào)，每次間隔為0.2 ms，總時(shí)長(zhǎng)為2.2 ms，如圖11(a)所示。同時(shí)在R2端施加5.5 V的正電壓，憶阻橋突觸的阻值變化情況如圖11(b)所示。結(jié)果表明，憶阻橋突觸阻值連續(xù)增大的過程中，即使存在0.2 ms的時(shí)間間隔，阻值仍有一段時(shí)間的記憶保持過程。

圖11 間隔刺激下憶阻橋突觸的反應(yīng)

綜上可知，施加兩種刺激信號(hào)于憶阻橋突觸，均可實(shí)現(xiàn)短期習(xí)慣化，無(wú)論刺激過程中是否有時(shí)間間隔，憶阻橋突觸在短期習(xí)慣化過程中均表現(xiàn)出良好的抗遺忘性。

2.6 長(zhǎng)期習(xí)慣化的實(shí)現(xiàn)

從生物角度講，長(zhǎng)期習(xí)慣化是指生物經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間刺激學(xué)習(xí)后，生物突觸原先有效功能連接中斷歷時(shí)較長(zhǎng)的過程，如眼睛受到多次無(wú)害刺激后，眨眼反射弱化或無(wú)眨眼行為，經(jīng)過一段時(shí)間再次受到刺激眨眼反射仍然很弱或無(wú)眨眼行為。

在憶阻橋突觸R1左側(cè)施加多組刺激，每組持續(xù)2.2 ms(有時(shí)間間隔)，如圖12(a)所示。同時(shí)在R2左側(cè)施加5.5 V的正電壓，憶阻橋突觸的阻值變化情況如圖12(b)所示。觀察發(fā)現(xiàn)，憶阻橋突觸的阻值逐漸增加并保持一段時(shí)間；在15 ms之前突觸的阻值變化明顯，15 ms之后阻值變化微弱，表明憶阻橋突觸的連接趨于穩(wěn)定。

圖12 長(zhǎng)期習(xí)慣化的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)突觸對(duì)輸入電壓信號(hào)習(xí)慣化后，無(wú)論是內(nèi)部無(wú)間隔刺激還是間隔性刺激，憶阻橋突觸的阻值下降時(shí)間均很緩慢，也說(shuō)明憶阻橋突觸具有抗遺忘特性，經(jīng)過多次信號(hào)刺激后，突觸部位原先有效功能連接無(wú)中斷，能保持原先記憶。該特性類似眼睛習(xí)慣外界刺激后，會(huì)對(duì)此產(chǎn)生的反應(yīng)進(jìn)行記憶，再次受到無(wú)害刺激后，由于先前的經(jīng)驗(yàn)會(huì)弱化眨眼反射，從而形成無(wú)眨眼行為的長(zhǎng)期習(xí)慣化。

2.7 恢復(fù)習(xí)慣化

恢復(fù)習(xí)慣化是指習(xí)慣化經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間遺忘恢復(fù)到初始狀態(tài)或者施加新的刺激信號(hào)使其恢復(fù)至初始狀態(tài)的過程。在突觸電路形成習(xí)慣化的過程中，在5 ms內(nèi)對(duì)憶阻橋突觸R1左側(cè)依次施加4次刺激，第6 ms時(shí)在R2左側(cè)額外施加電壓為200 V強(qiáng)刺激信號(hào)，憶阻橋突觸的阻值出現(xiàn)急速弱化，驟然恢復(fù)到初始狀態(tài)，如圖13所示，表明對(duì)突觸電路施加新的強(qiáng)刺激時(shí)，可快速恢復(fù)習(xí)慣化。

觀察輸出信號(hào)電壓Vo可知，在6 ms時(shí)強(qiáng)刺激信號(hào)類似于一種負(fù)反饋信號(hào)，如圖13(d)所示，這是系統(tǒng)快速恢復(fù)至平衡狀態(tài)的原因。當(dāng)恢復(fù)至初始態(tài)時(shí)(6 ms)，繼續(xù)對(duì)突觸電路施加3次相同刺激，突觸電路對(duì)新的刺激信號(hào)能夠重新進(jìn)行學(xué)習(xí)和記憶。這種變化與生物眨眼反射的習(xí)慣化恢復(fù)過程相似，即在多次同種刺激后，眼睛不再做出眨眼行為，但是當(dāng)施加新的強(qiáng)刺激后，眼睛重新恢復(fù)眨眼反射的過程。

圖13 恢復(fù)習(xí)慣化的實(shí)現(xiàn)

3 結(jié)論

本研究利用6個(gè)憶阻器構(gòu)建了六憶阻橋突觸電路，分析了其在不同刺激信號(hào)下短期習(xí)慣化、長(zhǎng)期習(xí)慣化和習(xí)慣化恢復(fù)的反應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn)，在同種信號(hào)刺激下憶阻橋突觸比單憶阻突觸習(xí)慣化形成的時(shí)間更短，具有記憶性和良好的抗遺忘性。在習(xí)慣化形成的過程中，阻值尖峰的出現(xiàn)有利于提高突觸的學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)突觸的抗遺忘性。仿真結(jié)果表明：憶阻橋突觸電路能夠模擬眨眼習(xí)慣化，具有快速學(xué)習(xí)、記憶和抗遺忘的特點(diǎn)，在施加刺激記憶的基礎(chǔ)上能夠快速形成和恢復(fù)習(xí)慣化，可以模擬生物學(xué)習(xí)、記憶和環(huán)境適應(yīng)能力，為后續(xù)生物聯(lián)想記憶、快速記憶及抗遺忘研究提供理論參考。