JPH0830708A

JPH0830708A - 神経機能素子

Info

Publication number: JPH0830708A
Application number: JP6165576A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Oka; 浩太郎岡; Hiroto Ogawa; 宏人小川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-07-18
Filing date: 1994-07-18
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は神経機能素子に関し、入力信号が入
来した位置と時間とを入力信号に非線形演算することに
より、入力信号の時空間的な信号処理が可能で、生体系
の神経細胞の機能により近くなることを目的とする。【構成】複数の入力信号に重み付けを行って総和をと
り、これを被比較信号として閾値信号と比較して比較結
果を出力する神経機能素子において、入力伝送路１０₁
〜１０ｍは、１次元配列された複数のカオス振動子夫々
の振動値を重み係数として設定された複数の重み付け回
路１２₁〜１２ｎにより複数の入力信号に重み付けを行
い、重み付けされた複数の入力信号の加算を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は神経機能素子に関し、生
体系の神経細胞に近い動作を行う神経機能素子に関す
る。

【０００２】近年、生体系神経科学の分野では、神経細
胞での信号伝達が単に電気信号によるものだけでなく、
分子状ガス（ＮＯ，ＣＯ）の生成や細胞内カルシウムの
動態が信号伝達に寄与していることが解明されてきてお
り、シナプス部の興奮性及び抑制性をより生体系に近づ
け、生体の学習に対応させることができるニューロンモ
デルが望まれている。

【０００３】

【従来の技術】図８は従来の神経機能素子のブロック図
を示す。図８において、シナプス結合を模擬した重み付
け回路１及びシナプス後細胞を模擬した閾値処理回路２
から成る。重み付け回路１はｎ個の乗算器から成り、閾
値処理回路２は総和演算回路２Ａ，コンパレータ２Ｂ，
閾値設定回路２Ｃ及び出力抵抗Ｒから成る。

【０００４】その機能は、各入力信号Ｘｉ（ｉは１〜ｎ
の整数）に対して重み付け回路１の乗算器により重みＷ
ｉがそれぞれ乗算されると、その総和ΣＷｉＸｉが閾値
処理回路２の総和演算回路２Ａにより演算される。この
演算結果信号Ｙは被比較信号としてコンパレータ２Ｂに
出力される。一方、閾値設定回路２Ｃからコンパレータ
２Ｂに閾値信号Ｙthが出力される。これにより、コンパ
レータ２Ｂから出力信号Ｚ０＝１／〔１＋ｅ^-Y+Yth〕が
出力され、抵抗Ｒの両端に出力信号Ｚ０が現れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】生体系の神経細胞では
神経線維上に生じた入力信号の時空間的なパターンは、
神経線維上の特定な位置での入力信号効率（シナプス伝
達効率）を維持又は変化させることで処理している。こ
れに対して、図８に示す従来の神経機能素子は同時に入
来する入力信号Ｘ₁〜Ｘｎの信号処理は可能である。し
かし、時系列的に変化する入力信号の時空間的なパター
ンの信号処理を行うことはできないという問題があっ
た。

【０００６】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
入力信号が入来した位置と時間とを入力信号に非線形演
算することにより、入力信号の時空間的な信号処理が可
能で、生体系の神経細胞の機能により近い神経機能素子
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は
複数の入力信号に重み付けを行って総和をとり、これを
被比較信号として閾値信号と比較して比較結果を出力す
る神経機能素子において、１次元配列された複数のカオ
ス振動子夫々の振動値を重み係数として設定された複数
の重み付け回路により上記複数の入力信号に重み付けを
行い、重み付けされた複数の入力信号の加算を行う入力
伝送路を有する。

【０００８】請求項２に記載の発明では、前記１次元配
列された複数のカオス振動子は、前記入力伝送路の出力
側に対応するものを下流側として、時間の経過と共に、
上流側のカオス振動子の振動を下流側に移流する結合関
係とする。

【０００９】請求項３に記載の発明では、前記１次元配
列された複数のカオス振動子は、時間の経過と共に、各
カオス振動子の振動を隣接するカオス振動子に拡散する
結合関係とする。

【００１０】請求項４に記載の発明では、前記１次元配
列された複数のカオス振動子は、前記入力伝送路の出力
側に対応するものを下流側として、時間の経過と共に、
上流側のカオス振動子の振動を下流側に移流し、かつ、
各カオス振動子の振動を隣接するカオス振動子に拡散す
る結合関係とする。

【００１１】

【作用】請求項１に記載の発明においては、カオス振動
子の振動値によって入力信号の重み付けを行って加算す
るため、入力信号が入来した位置と時間とによってカオ
ス振動子の振動値は変化して入力信号に非線形の重み付
けがなされ、入力信号の時空間的な信号処理が可能とな
る。

【００１２】請求項２に記載の発明においては、カオス
振動子の振動が時間と共に、上流側から下流側に移流
し、重み付け回路の重み係数が時間と共に入力伝送路の
上流側ら下流側に移流するパターンを得ることができ
る。

【００１３】請求項３に記載の発明においては、各カオ
ス振動子の振動が時間と共に、隣接するカオス振動子に
拡散し、重み付け回路の重み係数が時間と共に拡散する
パターンを得ることができる。

【００１４】請求項４に記載の発明においては、各カオ
ス振動子の振動が時間と共に上流側から下流側に移流
し、かつ、隣接するカオス振動子に拡散するため、重み
付け回路の重み係数が時間と共に移流かつ拡散するパタ
ーンを得ることができる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の神経機能素子の一実施例のブ
ロック図を示す。同図中、１０₁〜１０ｍは入力伝送路
である。入力伝送路１０₁〜１０ｍ夫々は重み付け回路
１２と加算回路１４₂〜１４ｎとから構成されており、
入力端子１１₁〜１１ｎ夫々から入来する信号は重み付
け回路１２₁〜１２ｎ夫々で所定の重み係数を乗算され
て重み付けされた後、加算器１４₂〜１４ｎで加算され
総和が得られる。各入力伝送路の重み付け回路１２₁〜
１２ｎ夫々の重み係数は重み付け制御回路１５から設定
される。なお、上記ｎは例えば５０〜１００程度とす
る。

【００１６】入力伝送路１０₁〜１０ｎ夫々の最終段の
加算器１４ｎから出力される総和の信号は加算器１７で
加算され、被比較信号Ｙとされてコンパレータ１８に供
給される。コンパレータ１８は閾値設定回路１９から供
給される閾値信号Ｖthと被比較信号Ｙとを比較して非線
形閾値処理した出力電流Ｉout を出力し、この電流が出
力抵抗２１を流れることによって電圧Ｖout の出力信号
が端子２０から出力される。コンパレータ１８は図２に
示す出力特性を有している。図中、横軸は被比較信号Ｙ
の電圧Ｖ１と閾値信号Ｖthの電圧Ｖ２との差であり、縦
軸は出力信号電圧Ｖout である。

【００１７】次に、重み付け制御回路１５の動作につい
て説明する。重み付け制御回路１５内には入力伝送路単
位でｎ個のカオス振動するカオス振動子が１次元配置さ
れている。このカオス振動子は例えば、次式に示すよう
なロジスティック関数を用いる。

【００１８】ｆ（ｘ）＝１−ａｘ² …（１）ここで、ｘは振動子への入力であり、ａは１．４４以上
の定数である。勿論、この関数以外にもカオス振動する
振動子であればどのような関数を用いても良い。（１）
式で示されるカオス振動子をｎ個１次元配列して、これ
らの間に次式で表わされる結合関係を与える。

【００１９】ｘ_j+1,_i＝（１−γ）ｆ（ｘ_j,i）＋γｆ（ｘ_j,i-1） …（２）ここで、ｘ_j,iは時点ｊにおける１次元配列のｉ番目の
カオス振動子を表わしており、０＜γ＜１である。

【００２０】上記の（２）式は図３に示す如く、時点ｊ
＋１のｉ番目のカオス振動子ｘ_j+1, _iの振動はその前の
時点ｊにおけるｉ−１番目のカオス振動子ｘ_j,i-1及び
ｉ番目のカオス振動子ｘ_j,iの振動に基いて決定される
ことを表わしている。つまり、時間が経過するに従って
１次元配列のｉの値が小さい上流側からｉの値が大きい
下流側に向って振動が移流することを表わしている。

【００２１】また、（２）式の代りに次式の関係を与え
る。

【００２２】ｘ_j+1,i＝（１−ε）ｆ（ｘ_j,i）＋０．５ε｛ｆ（ｘ_j,i-1）＋ｆ（Ｘ_j,i+1） …（３）ここで、０＜ε＜１である。

【００２３】この（３）式は図４に示す如く、時点ｊ＋
１のｉ番目のカオス振動子ｘ_j+1,iはその前の時点ｊの
ｉ番目のカオス振動子ｘ_j,iと、これに隣接するカオス
振動子ｘ_j,i-1及びｘ_j,i+1の振動に基いて決定される
ことを表わしている。つまり、時間が経過するに従っ
て、各カオス振動子の振動は隣接するカオス振動子に拡
散することを表わしている。

【００２４】更に、（２），（３）式の代りに次式で表
わされる結合関係を与える。

【００２５】ｘ_j+1,i=0.5［(1−ε）ｆ（ｘ_j,i）+0.5｛ｆｘ_(j,i-1)＋ｆ（ｘ_j,i+1)｝＋(1−γ）ｆ（ｘ_j,i）＋γｆ（ｘ_j,i-1）］ …（４）この（４）式は、（２）式と（３）式とを組み合わせて
平均をとったものであり、各カオス振動子の振動は移流
及び拡散する。

【００２６】図５は（１），（２）式において、ａ＝
１．５３、γ＝０．３、ｎ＝５０としたときの各カオス
振動子の振動の様子をカオス振動子の配置方向（ｉ
軸）、時間軸（ｊ軸）、振動の値の３次元で示してい
る。ここでは時間の経過と共に振動がｉ軸の左側から右
方向に移流している。

【００２７】図６は（１），（３）式において、ａ＝
１．５３、ε＝０．３、ｎ＝５０としたときとの各カオ
ス振動子の振動の様子を示す。ここではランダムに与え
た初期値が時間の経過と共に徐々にいくつかの振動パタ
ーンに引き込まれて安定に維持されている。

【００２８】図７は（１），（４）式において、ａ＝
１．７４、ε＝０．３、γ＝０．９、ｎ＝５０としたと
きの各カオス振動子の振動の様子を示す。ここでは時間
の経過と共に振動がｉ軸の左側から右方向に複雑なパタ
ーンを描きながら進行している。

【００２９】重み付け制御回路１５は入力伝送路単位で
設けられた、時間の経過と共に変化するｎ個のカオス振
動子夫々の振動値を重み係数として図１に示す入力伝送
路１０₁〜１０ｍ夫々のｎ個の重み付け回路１２₁〜１
２ｎ夫々に設定する。この重み係数の設定は単位時間毎
に行われる。

【００３０】これによって、入力伝送路１０₁〜１０ｍ
夫々の重み付け回路１２₁〜１２ｎに重み係数が設定さ
れ、端子１１₁〜１１ｎ夫々に入来する入力信号は、入
来した位置と時間とにより異なる重み係数を乗算され
る。つまり入来した位置と時間とが入力信号に非線形演
算される。これにより入力信号の時空間的な信号処理が
可能となる。

【００３１】図１に示す神経機能素子は入力層と中間層
と出力層の神経機能素子からなるニューラルネットワー
クの入力層の神経機能素子として適用される。この場
合、入力層の図１に示す構成の神経機能素子には端子１
５ａから重み付け制御回路１５に対して、（２），
（３），（４）式のいずれを用いるのかを設定し、また
定数ａ，γ，ε，夫々の値を設定することにより、入力
伝送路１０₁〜１０ｍ夫々の重み付け回路１２₁〜１２
ｎ夫々の重み付けのパターンを変更する。

【００３２】カオス振動子は（１）式の定数ａを変更す
ることによってカオス振動のパターンが変化し、また、
（２），（３），（４）式の定数γ，εを変更すること
によって移流，拡散のパターンが変化する。このように
定数ａ，γ，ε等の変更によって重み付け回路１２₁〜
１２ｎの重み係数を簡単に変更できる。

【００３３】

【発明の効果】上述の如く、請求項１に記載の発明にお
いては、カオス振動子の振動値によって入力信号の重み
付けを行って加算するため、入力信号が入来した位置と
時間とによってカオス振動子の振動値は変化して入力信
号に非線形の重み付けがなされ、入力信号の時空間的な
信号処理が可能となる。

【００３４】また、請求項２に記載の発明によれば、カ
オス振動子の振動が時間と共に、上流側から下流側に移
流し、重み付け回路の重み係数が時間と共に入力伝送路
の上流側ら下流側に移流するパターンを得ることができ
る。

【００３５】また、請求項３に記載の発明によれば、各
カオス振動子の振動が時間と共に、隣接するカオス振動
子に拡散し、重み付け回路の重み係数が時間と共に拡散
するパターンを得ることができる。

【００３６】また、請求項４に記載の発明によれば、各
カオス振動子の振動が時間と共に上流側から下流側に移
流し、かつ、隣接するカオス振動子に拡散するため、重
み付け回路の重み係数が時間と共に移流かつ拡散するパ
ターンを得ることができ、実用上きわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明素子の一実施例のブロック図である。

【図２】コンパレータの出力特性図である。

【図３】カオス振動子の振動の移流を説明するための図
である。

【図４】カオス振動子の振動の拡散を説明するための図
である。

【図５】（１），（２）式による振動の様子を表わす図
である。

【図６】（１），（３）式による振動の様子を表わす図
である。

【図７】（１），（４）式による振動の様子を表わす図
である。

【図８】従来素子の一例のブロック図である。

【符号の説明】

１０₁〜１０ｍ入力伝送路１１₁〜１１ｎ入力端子１２₁〜１２ｎ重み付け回路１４₁〜１４ｎ，１７加算回路１５重み付け制御回路１８コンパレータ１９閾値設定回路２０出力端子２１出力抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の入力信号に重み付けを行って総和
をとり、これを被比較信号として閾値信号と比較して比
較結果を出力する神経機能素子において、１次元配列された複数のカオス振動子夫々の振動値を重
み係数として設定された複数の重み付け回路（１２₁〜
１２ｎ）により上記複数の入力信号に重み付けを行い、
重み付けされた複数の入力信号の加算を行う入力伝送路
（１０₁〜１０ｍ）を有することを特徴とする神経機能
素子。
【請求項２】前記１次元配列された複数のカオス振動
子は、前記入力伝送路（１０₁〜１０ｍ）の出力側に対
応するものを下流側として、時間の経過と共に、上流側
のカオス振動子の振動を下流側に移流する結合関係とす
ることを特徴とする請求項１記載の神経機能素子。
【請求項３】前記１次元配列された複数のカオス振動
子は、時間の経過と共に、各カオス振動子の振動を隣接
するカオス振動子に拡散する結合関係とすることを特徴
とする請求項１記載の神経機能素子。
【請求項４】前記１次元配列された複数のカオス振動
子は、前記入力伝送路の出力側に対応するものを下流側
として、時間の経過と共に、上流側のカオス振動子の振
動を下流側に移流し、かつ、各カオス振動子の振動を隣
接するカオス振動子に拡散する結合関係とすることを特
徴とする請求項１記載の神経機能素子。