(57)【要約】【課題】ある値を超える作用を受けると準安定な状態に遷移する系に対しノイズを用いることにより情報を記憶する。【解決手段】系１は、安定状態において状態レベルがしきい値を超えると準安定状態に遷移し、準安定状態において状態レベルが、所定時間を経過してもしきい値を超えないと安定状態に遷移し、所定時間以内にしきい値を超えると準安定状態をさらに所定時間保持する。書き込み部２は、安定状態にある系１に、状態レベルがしきい値を超えるように作用を与えて、準安定状態に遷移させる。消去部３は、準安定状態にある系１に、書き込み部２で与える作用とは逆の作用を与えて安定状態に遷移させる。読み出し部４は、系１の状態を判定する。系１が準安定状態のとき状態レベルがしきい値を所定時間以内に超えるようなノイズ又は信号により準安定状態を保持する。【選択図】        図１
2004206830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定状態および準安定状態を持ち、安定状態において状態レベルがしきい値を超えると準安定状態に遷移し、準安定状態において状態レベルが、所定時間を経過しても前記しきい値を超えないと安定状態に遷移し、該所定時間以内に前記しきい値を超えると準安定状態をさらに該所定時間保持する、という特性を有する系と、
安定状態にある前記系に、状態レベルが前記しきい値を超えるように作用を与えて、準安定状態に遷移させるための書き込み部と、
準安定状態にある前記系に、前記書き込み部で与える作用とは逆の作用を与えて安定状態に遷移させるための消去部と、
前記系が安定状態又は準安定状態のいずれにあるかを判定する読み出し部と
を備え、
前記系が準安定状態のとき状態レベルが前記しきい値を前記所定時間以内に超えるようなノイズ又は信号により準安定状態を保持し、一方、前記系が安定状態のとき該ノイズ又は該信号によっては準安定状態に遷移せずに安定状態を保持することにより、情報を記憶する記憶素子。
【請求項２】
状態レベルが前記所定時間以内に前記しきい値を超えるようなノイズ又は信号を発生するための発生部をさらに備えた請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
前記系は、準安定状態にあるときにはその状態を持続し、前記系が安定状態にあるときにはノイズ又は信号のみにより準安定状態に遷移する確率が事実上ゼロとみなされるようなノイズ又は信号のある環境下におかれることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
前記読み出し部は、前記系が状態を乱さない程度の微弱な作用を系に与え、その反応を測定することで前記系の状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
前記系は、以下１）−５）の性質を力学系により時間発展するようにコンピュータで実現され、状態レベルＶにより準安定状態及び安定状態のいずれかを判断することで情報を記憶するための請求項１に記載の記憶素子。
１）状態レベルＶ＜しきい値Ｖθのとき、Ｖは次の式に従って時間変化する。
【数１】
2004206830.tif 000007
２）ＶがＶθに達すると、ＶはＶθより小さい値である準安定状態（Ｖreset）にリセットされる。
３）Ｖの促進力ＩＤは、Ｖがしきい値Ｖθに達すると同時に正（ＩＤ＝Ｄ＞０）になり、その値が続き、以降Ｖがしきい値を達しなければ一定期間τＤの後ＩＤは０になる。
４）外部入力Ｉexternalは、通常０であり、前記書き込み部又は前記消去部により正又は負の値を与えられ、Ｖを正又は負の方向に突き上げる又は下げる力としてはたらく。
５）ノイズηは、次のような条件で付加される。すなわち、ノイズηは、ＩＤ＝０である前記系が安定状態では、Ｉexternal＝０の場合、ＶがＶ０を基準点としてそのまわりを確率過程的に揺らぐようにし、ＶがＶθに達するまでにかかる時間を無限大とする。一方、ノイズηは、ＩＤ＝Ｄ＞０である準安定状態では、Ｉexternal＝０の場合、ＶがＶ０＋Ｄを基準点としてそのまわりを確率過程的に揺らぐようにし、Ｖが確率的にＶθに達するようにし、ＶがＶθに達するまでにかかる時間をτＤより十分短くする。
【請求項６】
前記書き込み部は、前記系に正の外部入力ＩexternalをＶがＶθに達するのに十分大とするように与え、ＩＤ＝Ｄ＞０として、基準点をＶ０＋Ｄとし、Ｖはそのまわりを確率過程的に揺らぎ、基準点がＶ０＋Ｄに移った準安定状態を持続することにより記憶を保持し、
前記消去部は、前記系に負の外部入力ＩexternalをτＤ以上の期間加え、ＩＤ＝０状態として、基準点をＶ０とした安定状態に戻すことで、記憶を消去すること
を特徴とする請求項５に記載の記憶素子。
【請求項７】
前記系は、神経細胞等の細胞を含む生体組織を有し、
前記書き込み部及び前記消去部は、生体組織の膜電位を正又は負の方向に作用し、
前記読み出し部は、膜電位を測定することで、記憶情報を得ること
を特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項８】
前記ノイズは、アフターデポラリゼーション（After-depolarisation、ＡＤＰ）電流を用いること、生体に存在するノイズを用いること、または、ノイズを付加することを特徴とする請求項７に記載の記憶素子。
【請求項９】
前記系は、光異性化基を持つ分子を有し、安定状態としてトランス状態となり、準安定状態としてシス状態となり、
前記書き込み部は、第１の波長の光照射部を有し、その光の照射により前記系の分子をトランス状態からシス状態とし、
前記消去部は、第２の波長の光照射部を有し、その光の照射により前記系の分子をシス状態からトランス状態とし、
前記読み出し部は、前記系による光の変化を測定することで記憶情報を得ること
を特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項１０】
前記ノイズとして、色つきノイズを用いることを特徴とする請求項９に記載の記憶素子。
【請求項１１】
安定状態と準安定状態を持ち、状態レベルがあるしきい値に達すると、状態レベルが該しきい値より低い値の準安定状態にリセットされ、且つ、状態レベルを該しきい値の方向に近づける促進力を生じ、該促進力は状態レベルが該しきい値に達しない限り所定時間後に消える、という特性を有する物質を用い、
該物質にノイズ又は信号を用いることにより、状態レベルに対応する情報を記憶する記憶方法。
【請求項１２】
安定状態および準安定状態を持ち、安定状態において状態レベルがしきい値を超えると準安定状態に遷移し、準安定状態において状態レベルが、所定時間を経過しても前記しきい値を超えないと安定状態に遷移し、該所定時間以内に前記しきい値を超えると準安定状態をさらに該所定時間保持する、という特性を有する系を用い、
前記系が準安定状態のとき状態レベルが前記しきい値を前記所定時間以内に超えるようなノイズ又は信号により準安定状態を保持し、一方、前記系が安定状態のとき該ノイズ又は該信号によっては準安定状態に遷移せずに安定状態を保持することにより、情報を記憶し、
安定状態にある前記系に、状態レベルが前記しきい値を超えるように作用を与えて、準安定状態に遷移させることにより情報を書き込み、
準安定状態にある前記系に、前記書き込みで与える作用とは逆の作用を与えて安定状態に遷移させることにより情報を消去し、
前記系が安定状態又は準安定状態のいずれにあるかを判定することにより記憶された情報を読み出す
記憶方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記憶素子および記憶方法に係り、特に、ある値より大きい(または小さい)作用を受けると安定な状態と準安定な状態との間で遷移する系に対して、ノイズを用いることにより構成される記憶素子および記憶方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、生物の脳における情報処理機構の解明に関する研究がなされている（非特許文献１、参照）。
【非特許文献１】
H.Okamoto & T.Fukai, Phys Rev Lett 83, 3919-3922 (2001)
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
脳における情報処理機構に学び、生物が行う複雑な情報処理を工学的に実現することを目指すことは、ニューラルネットワーク情報処理分野における要素技術として有効であると期待される。例えば、神経系が行う情報処理において、ノイズは単に攪乱作用を与えるだけでなく、より能動的な役割を果たしている可能性がある。
本発明は、以上の点に鑑み、神経情報処理におけるノイズの役割を考察する研究をきっかけに、神経系における新規な情報処理デバイスを開発することを目的とする。本発明は、ある値より大きい(または小さい)作用を受けると準安定な状態に遷移する系（物質系）を用いて、そこにノイズを付加すること又は自然に存在するノイズを利用することにより記憶素子および記憶方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、状態レベル（例えば、電圧、電流、抵抗等）があるしきい値に達すると、この状態レベルはしきい値よりも低いある値にリセットされ、それと同時にこの状態レベルをしきい値の方向に引き上げる推進力が生じ、この推進力は状態レベルが再びしきい値に達しない限り、一定期間後に消える、という性質を持つ物質に対して、そこにノイズを用いることにより記憶素子を構成することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
安定状態および準安定状態を持ち、安定状態において状態レベルがしきい値を超えると準安定状態に遷移し、準安定状態において状態レベルが、所定時間を経過しても前記しきい値を超えないと安定状態に遷移し、該所定時間以内に前記しきい値を超えると準安定状態をさらに該所定時間保持する、という特性を有する系と、
安定状態にある前記系に、状態レベルが前記しきい値を超えるように作用を与えて、準安定状態に遷移させるための書き込み部と、
準安定状態にある前記系に、前記書き込み部で与える作用とは逆の作用を与えて安定状態に遷移させるための消去部と、
前記系が安定状態又は準安定状態のいずれにあるかを判定する読み出し部と
を備え、
前記系が準安定状態のとき状態レベルが前記しきい値を前記所定時間以内に超えるようなノイズ又は信号により準安定状態を保持し、一方、前記系が安定状態のとき該ノイズ又は該信号によっては準安定状態に遷移せずに安定状態を保持することにより、情報を記憶する記憶素子が提供される。
【０００５】
本発明の第２の解決手段によると、
安定状態と準安定状態を持ち、状態レベルがあるしきい値に達すると、状態レベルが該しきい値より低い値の準安定状態にリセットされ、且つ、状態レベルを該しきい値の方向に近づける促進力を生じ、該促進力は状態レベルが該しきい値に達しない限り所定時間後に消える、という特性を有する物質を用い、
該物質にノイズ又は信号を用いることにより、状態レベルに対応する情報を記憶する記憶方法が提供される。
【０００６】
また、本発明の第３の解決手段によると、
安定状態および準安定状態を持ち、安定状態において状態レベルがしきい値を超えると準安定状態に遷移し、準安定状態において状態レベルが、所定時間を経過しても前記しきい値を超えないと安定状態に遷移し、該所定時間以内に前記しきい値を超えると準安定状態をさらに該所定時間保持する、という特性を有する系を用い、
前記系が準安定状態のとき状態レベルが前記しきい値を前記所定時間以内に超えるようなノイズ又は信号により準安定状態を保持し、一方、前記系が安定状態のとき該ノイズ又は該信号によっては準安定状態に遷移せずに安定状態を保持することにより、情報を記憶し、
安定状態にある前記系に、状態レベルが前記しきい値を超えるように作用を与えて、準安定状態に遷移させることにより情報を書き込み、
準安定状態にある前記系に、前記書き込みで与える作用とは逆の作用を前記所定時間より長く与えて安定状態に遷移させることにより情報を消去し、
前記系が安定状態又は準安定状態のいずれにあるかを判定することにより記憶された情報を読み出す
記憶方法が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
１．安定状態及び準安定状態を有する系を用いた記憶素子及び記憶方法
図１に、記憶素子の構成図を示す。この記憶素子は、系１、書き込み部２、消去部３、読み出し部４を備える。また、系１には、ノイズ９が外部から与えられる、又は、系１は、ノイズ９のある環境下におかれる。また、ノイズ９を発生させるためのノイズ発生部を備えるようにしてもよい。
系１は、例えば、次のような性質を有する。すなわち、系１は、安定な状態（安定状態）および準安定な別の状態（準安定状態）のいずれかを有する。安定状態にある系１に対して外部からあるしきい値より大きい作用（または、負論理で動作する場合は小さい作用、以下かっこ内同様。）が加わると、系１は準安定状態に遷移する。また、準安定状態に遷移した系１は、ある時間が経過すると安定状態に戻る。記憶素子としては、系１が安定状態のときを‘０（ＯＦＦ）’、準安定状態のときを‘１（ＯＮ）’に対応させること、又は、その逆にそれぞれ安定状態のときを‘１（ＯＮ）’、準安定状態のときを‘０（ＯＦＦ）’に対応させることができる。以下、一例として、準安定状態がメモリーＯＮ、安定状態がメモリーＯＦＦとした場合で、正論理の場合について説明する。
【０００８】
書き込み部２及び消去部３は、外部からの作用を系１へ伝える。すなわち、書き込み部２は、外部からからしきい値より大きい（または小さい）作用を安定状態にある系１に加える。安定状態にある系１は、書き込み部２から作用を加えられると、準安定状態に遷移する。消去部３は、準安定状態にある系１を強制的に安定状態に戻すための作用を加える。なお、書き込み部２及び消去部３による作用と系１の遷移状態は、系１の特性に依存する。なお、この詳細は後述する。
読み出し部４は、系１が安定状態および準安定状態のいずれにあるか、すなわち、メモリーがＯＮであるかＯＦＦであるかを判定する。読み出し部４は、例えば、状態を乱さない程度の微弱な作用を系１に与え、その反応をみるという方法（例えば、プローブ法）により記憶情報の読み出しを行うことができる。
書き込み部４から加えられた作用により準安定状態になった系１は、そのままではある時間経過後に安定状態に戻り、状態を持続することが出来ない。そこで、自然界に存在する又は人工的に発生させたノイズ９を用いて、準安定状態を長期持続させることができる。その具体的な動作については、後述する。ノイズ９は、外部から取り込み部等を通じて系１に加えられてもよいし、取り込み部を特に設けずに直接与えられてもよい。ノイズ９の強さと系１の状態遷移の関係は、例えば、次の条件が成り立つ程度のものとすることができる。すなわち、系１が準安定状態（すなわちメモリーとしてのＯＮ状態）にあるときには、ノイズ９の作用により準安定状態が持続させられ、一方、系１が安定状態（すなわちメモリーとしてのＯＦＦ状態）にあるときには、ノイズ９により準安定状態に遷移する確率が事実上ゼロとみなされるものである。
【０００９】
図２に、系１の特性についての説明図を示す。
系１は、安定状態Ｖ０と準安定状態Ｖ１を有し、例えば、微分方程式等により時間発展する系である。ここで系１の状態をＶ、しきい値をＶθとする。Ｖ＜Ｖθのとき、系１の状態Ｖは、次式の決定論的方程式に従って時間変化する。なお、状態Ｖは、電圧、電流、抵抗、光等の適宜のレベルで表すことができる。
【００１０】
【数２】
2004206830.tif 000003
ここで、−（Ｖ−Ｖ０）は、系１の状態ＶのＶ０への復元力を表し、ＩＤは、系１の状態Ｖを正の方向に押し上げる促進力を表し、Ｉexternalは、外部からの入力を表す。
外部入力Ｉexternalは通常０であり、外部からの入力が加わるときにだけ正または負の値をとる。また、外部入力Ｉexternalは、正のとき、系１の状態Ｖを正の方向に突き上げる力としてはたらき、逆に負のとき系１の状態Ｖを負の方向に下げる力としてはたらく。
ここで、外部入力Ｉexternal等により系１の状態Ｖがしきい値Ｖθに達すると、推進力ＩＤ＝Ｄ＞０となり（Ｄは、系によって決まる定数）、準安定状態Ｖ１＝Ｖ０＋Ｄが続く。一定期間τＤが経過した後、推進力ＩＤは０になり、系１は安定状態Ｖ０にもどる。
【００１１】
以下に、このような性質を持つ力学系である系１に対して、ノイズηが作用する場合を説明する。このとき、系１の状態Ｖは、決定論的な式（１）ではなく、次式に従って確率過程的に時間変化する。
【数３】
2004206830.tif 000004
ここでηは、付加されたノイズ９に相当する。
【００１２】
図３に、準安定状態又は安定状態での系１の状態Ｖの動きを表す図を示す。図３（ａ）は、準安定状態のときを、図３（ｂ）は、安定状態のときをそれぞれ示す。
まず、系１に外部からの入力がない、すなわち、外部入力Ｉexternal＝０の場合を考える。このとき、系１の状態Ｖは、推進力ＩＤ＝０ならばＶ０を基準点としてそのまわりを揺らぎ、一方、推進力ＩＤ＝Ｄ＞０ならばＶ０＋Ｄを基準点としてそのまわりを確率過程的に揺らぐ。ノイズ９が存在すると、系１の状態Ｖがしきい値Ｖθに達することが、基準点がＶ０とＶ０＋Ｄのいずれにあっても確率的には起こり得る。そこで、基準点がＶ０＋Ｄのときに系１の状態Ｖがしきい値Ｖθに達するまでにかかる時間を表す確率変数をＴＤとする。同じく、基準点がＶ０のときに系１の状態Ｖがしきい値Ｖθに達するまでにかかる時間を表す確率変数をＴ０とする。系１の特性を表すパラメータの値を適当に選ぶことにより、基準点がＶ０のとき系１の状態Ｖがしきい値Ｖθに達するまでにかかる時間（Ｔ０の期待値で評価できる）を無限とみなせるほど長く、基準点がＶ０＋Ｄのとき系１の状態Ｖがしきい値Ｖθに達するまでにかかる時間（ＴＤの期待値で評価できる）をτＤより十分短くすることができる。このとき、系１が安定状態Ｖ０のときを第１の状態、一方、準安定状態Ｖ０＋Ｄのときを第２の状態に対応させることで、系１は記憶素子として機能する。第１の状態であるか、第２の状態であるかは、読み出し部４が、例えば、適宜なしきい値によりＶを比較すれば判定することができる。
【００１３】
図４に、安定状態が保持される様子を表す図を示す。
系１が安定状態にあるとき、外部入力Ｉexternalが無い限り系１の状態Ｖは、ノイズ９のみではしきい値Ｖθに達しないよう設定されているため、図に示すように、安定状態を続ける。このようにして、系１は、例えば、メモリーとしてのＯＦＦの動作をすることができる。
図５に、ノイズ９により準安定状態が保持される様子を表す図を示す。
ここで、ある時刻ｔ０に書き込み部２は、系１に正の外部入力Ｉexternalを瞬時的に加えたとする。すなわち、外部入力Ｉexternal＞０となり、系１の状態Ｖは正方向に突き上げられる。外部入力Ｉexternalが十分大ならば、系１の状態Ｖはしきい値Ｖθに達する。すると推進力ＩＤ＝Ｄ＞０となり、基準点はＶ０＋Ｄとなる。系１の状態Ｖは、基準点Ｖ０＋Ｄのまわりを確率過程的に揺らぐ。基準点がＶ０＋Ｄに移った状態は、系１の状態Ｖがしきい値Ｖθに達して以降、一定期間τＤの間続く。ノイズ９が存在すると、系１の状態Ｖは、高い確率でこの期間の早い時期に再びＶθに達する。このとき、一定期間τＤが更新されて、この時点から基準点がＶ０＋Ｄに移った状態がさらに一定期間τＤの間続く。以後、このサイクルが繰り返されることにより、基準点がＶ０＋Ｄに移った状態が持続する。上述のように、系１は、過去のどこかで自身に正の外部入力が加わったという事象を、基準点がＶ０＋Ｄに移った状態を持続することにより、保持することができる。このようにして、系１は、例えば、メモリーとしてのＯＮの動作をすることができる。
【００１４】
記憶の消去は、すなわち、準安定状態から安定状態への遷移は、消去部３により、系１に対して負の外部入力Ｉexternal＜０を一定期間τＤ以上加えることにより行うことができる。負の外部入力Ｉexternalが加えられている間、系１の状態Ｖは負方向に突き下げられ、しきい値Ｖθに達することはない。従って、この外部からの入力が一定期間τＤ以上の期間続けば、推進力ＩＤ＝Ｄ＞０の状態は途絶し、推進力ＩＤ＝０の状態に移る。また、外部からの入力が消えた後、系１は安定状態になり推進力ＩＤ＝Ｄ＞０の状態には戻らない。
【００１５】
２．コンピュータにより実行されるプログラムを用いた記憶素子
図６に、コンピュータを用いた記憶素子の構成図を示す。
この記憶素子は、中央演算装置（ＣＰＵ）である演算部１０、入力部２０、出力部３０を備える。また、演算部１０は、系１１、ノイズ１３を発生するノイズ発生部１２を有する。入力部２０は、書き込み部２１、消去部２２を有する。入力部２０は、演算部１０に各種パラメータ、書き込み・消去の指示等を入力する。図１中、系１、書き込み部２、消去部３、読み出し部４が、それぞれ図６中の、系１１、書き込み部２１、消去部２２、出力部３０に対応する。ノイズ発生部１２は、図１中ノイズ９に相当するノイズ１３を発生する。
コンピュータの演算部１０の系１１は、ノイズ発生部１２が発生したノイズ１３と、入力部２０により与えられたパラメータに従って、上式（２）を計算することにより実現することができる。その際、演算部１０は、公知または周知のシミュレーション法や数値計算法（例えば、モンテカルロ法等）を用いて状態Ｖの値を計算し、所定のしきい値と比較することで、系１１の状態（ＯＮ又はＯＦＦ、安定又は準安定）を判定することができる。出力部３０は、系１１の状態に相当する記憶情報を出力する。
【００１６】
図７に、数値シミュレーションの結果の図を示す。
系１１の状態Ｖは、始めは安定状態にあり、ノイズ９によって基準点Ｖ０＝−７０のまわりを確率過程的に揺らいでいる。時刻ｔ１からごく短い期間、正の外部入力（図において、上向き矢印で表示）が加わった後、Ｖ（ｔ）のパルスがしきい値Ｖθへ到達する。このときの時刻をここでは「発火」と呼び、長い縦線で表示している。外部入力が消えた後も繰り返し発火することで準安定状態が持続する。すなわち、この系は過去に正の外部入力を加えられたという記憶を、繰り返し発火の持続として保持する。次に、時刻ｔ２から一定期間τＤよりも長い期間、負の外部入力（図において、下向き矢印で表示）を加えると、繰り返し発火は停止する。すなわち、系１１は、安定状態となり記憶は消去される。なお計算には、パラメータ値として、τ＝０．０２、Ｖ０＝−６２、Ｖθ＝−５２、Ｖreset＝−５７、τＤ＝０．２、Ｄ＝８を用いた。これらのパラメータ値は、上述の条件を満たすパラメータ値の一例である。
【００１７】
３．神経細胞を用いた記憶素子
一般に、神経細胞は、しきい値型動作を行う素子の典型例のひとつである。神経細胞の膜電位がしきい値に達すると、神経細胞パルス型の出力を発生し(これを「発火した」という)、その直後、膜電位はしきい値以下のある値にリセットされる。ここで、膜電位は細胞が持つ様々な電流により修飾される。その中にアフターデポラリゼーション電流（After-depolarization電流、ＡＤＰ電流）がある。これは細胞が発火した直後からしばらくの間流れる正の電流であり、膜電位を正の方向へ押し上げるように働く。
このような神経細胞の性質については、例えば、次の文献を参照。
Nicholls,J．G． et al． FROM NEURON TO BRAIN (FOURTH EDITION), Sinauer, 2001, MA．
また、ＡＤＰ電流については以下を参照。
S．Haj-Dahmane and R．Andrade, Calcium-activated cation nonselective current contributes to the fast afterdepolarization in rat prefrontal cortex neurons, J．Neurophysiol．78 (1997), 1983-1989．
S．Haj-Dahmane and R．Andrade, Ionic mechanism of the slow afterdepolarization induced by muscariniv receptor activation in rat prefrontal cortex, J．Nuerophysiol．80 (1998), 1197-1210．
【００１８】
以下では、神経細胞、特に単離された神経細胞にノイズを付加した場合、神経細胞は、上述のような機構に基づく記憶素子として機能することを示す。
図８に、神経細胞を用いた記憶素子の構成図を示す。
この実施の形態の記憶素子は、神経細胞１−１、第１刺激電極２−１、第２刺激電極３−１、測定電極４−１、第３刺激電極９−１を有する。図１中、系１、書き込み部２、消去部３、読み出し部４が、それぞれ図８中の、神経細胞１−１、第１刺激電極２−１、第２刺激電極３−１、測定電極４−１に対応する。第３刺激電極９−１は、ノイズ９を加えるものである。第１刺激電極２−１、第２刺激電極３−１、第３刺激電極９−１及び測定電極４−１は、同一の電極を用いてもよいし、それぞれ別に設けてもよい。また、これら第１刺激電極２−１、第２刺激電極３−１、測定電極４−１、第３刺激電極９−１は、神経細胞１−１に接触していてもよいし、接触していないで出力を与えるようにしてもよい。
神経細胞１−１は、細胞の内側と外側で異なる電位を有する。これは細胞膜にある様々なイオンチャネルの働きにより、細胞の内側と外側とでイオン（ナトリウム、カリウム、塩素イオン、等）の濃度に差ができるからである。細胞外電位から細胞内電位を引いたものを上述のように膜電位とよぶ。なお、神経細胞１−１は、例えば、生体と細胞外液と同様なイオン成分の液に漬されている。
【００１９】
第１刺激電極２−１は、神経細胞１−１に一時的に膜電位を正の方向に引き上げる作用を与えることにより情報の書き込みを行う。一方、第２刺激電極３−１は、神経細胞１−１に一時的に膜電位を負の方向に引き下げる作用を与えることにより情報の消去を行う。さらに、測定電極４−１は、神経細胞１−１の膜電位を測定することにより情報の読み出しを行う。膜電位のスパイクが繰り返し出力されるならば準安定状態（例、ＯＮ）、スパイクは発生せずに膜電位が静止電位付近に留まるならば安定状態（例、ＯＦＦ）である。
第３刺激電極９−１は、例えば、神経細胞１−１にＧａｕｓｓ過程的に大きさと向きが揺動する電流を細胞内に流す。すなわち、第３刺激電極９−１からの出力は、膜電位に対してノイズとして作用する。上述した系１と同様な動作によって、神経細胞１−１は、準安定状態及び安定状態を有し、その間を遷移する。
つぎに、ＡＤＰを生ずる神経細胞がメモリーとして機能する理由（ノイズ不要の場合）について説明する。まず、その前に、ＡＤＰを生じない場合の神経細胞の特性について説明する。
【００２０】
図９に、ＡＤＰを生じない場合の神経細胞の特性図を示す。
神経細胞は、上述のように、その膜電位がしきい値Ｖθに達するとスパイク電位を発生する。スパイク電位発生後、膜電位Ｖは、しきい値Ｖθよりも小さい電位Ｖresetにリセットされる。膜電位Ｖは、しきい値Ｖθ以下のとき、次の方程式に従って時間発展する。
【数４】
2004206830.tif 000005
ここでＧは定数（例、コンダクタンス）。
【００２１】
式（３）が意味することは、十分時間がたてば膜電位ＶがＶ０に収束するということである（このとき、ｄＶ／ｄｔは０に収束する）。膜電位Ｖは、何かのきっかけ（外力など）でしきい値Ｖθに達し、神経細胞はスパイクを打つ。神経細胞がスパイクを打った後、膜電位Ｖは、電位Ｖresetにリセットされ、以降、式（３）に従ってＶ０に漸近してゆく。さらに、また何かのきっかけでしきい値Ｖθに達すれば、スパイクを打った後、電位Ｖresetにリセットされ、以降式（３）に従ってＶ０に漸近してゆく。以下、同様の動作を繰り返す。
これに対して、以下に、ＡＤＰを生ずる神経細胞について説明する。
【００２２】
図１０に、ＡＤＰを生ずる場合の神経細胞の特性図を示す。
ＡＤＰは、スパイクの発生がトリガーとなって生ずるものであり、更なるスパイクの発生の推進力として働く。ＡＤＰは、スパイクが発生した直後からしばらくの間、神経細胞に流れる電流として表される。すなわち、ＡＤＰを生ずる神経細胞１−１の膜電位Ｖは、式（３）の右辺にＡＤＰ電流ＩＡＤＰを付加した次の方程式に従って時間発展する。
【数５】
2004206830.tif 000006
【００２３】
ＡＤＰ電流ＩＡＤＰの値は、通常は０であるが、スパイクが発生した直後から一定期間の間、正の値をとる。この一定期間が過ぎると、すなわち、この一定期間の間に再びスパイクが発生しなければ、ＡＤＰ電流ＩＡＤＰは０に戻る。式（４）により、ＡＤＰ電流ＩＡＤＰが存在する場合、膜電位ＶはＶ０ではなく、Ｖ０＋ＩＡＤＰ／Ｇに漸近してゆく。もしも、Ｖ０＋ＩＡＤＰ／Ｇ＞Ｖθならば、膜電位Ｖは、しきい値Ｖθを横切るときに次のスパイクを発生させる。膜電位Ｖは、電位Ｖresetにリセットされた後、式（４）に従ってＶ０＋ＩＡＤＰ／Ｇに漸近してゆき、再びしきい値Ｖθを横切るときにスパイクを発生させる。従って、何かのきっかけ（外力など）でスパイクが発生し、スパイクに伴ってＡＤＰが生ずる場合、ＡＤＰが十分大きくてＶ０＋ＩＡＤＰ／Ｇ＞Ｖθとなるならば、以降スパイクが繰り返し発生する。また、図示のように、第２刺激電極３−１により、強い負の電流を流すと、膜電位Ｖは負の方向にシフトし、スパイクの繰り返しを止めることができる。
【００２４】
この例では、ＡＤＰ電流自身が次のスパイクを発生するに十分な場合を想定している（Lisman, J．E． & Idiart, M．A．Storage of 7+/-2 short-term memories in oscillatory subcycles．Science 10 (1995), 1512-1515．、R．C．O’Reilly, T．S．Braver and J．D．Cohen, Mechanisms of active maintenance and executive control, in: A．Miyake and P．Shah, eds．, Models of WorkingMemory (Cambridge Univ． Press, Cambridge, 1999) 375-411．、E．A．Fransen et al．(2002), Society for Neuroscience 32nd Annual Meeting(Orlando, FL)．参照）。このように、ＡＤＰが十分大きいときには、ノイズが無くても又は小さくても、それだけでメモリーを構成することができる。この場合には、ノイズの助けを借りなくても神経細胞１−１は一旦何かのきっかけでスパイクを発生すれば、それにより生成されるＡＤＰ電流が次のスパイクを発生させる。このサイクルが繰り返されることにより、スパイクの繰り返し生成が持続される。よって、この場合は、第３刺激電極９−１により神経細胞１−１にノイズを与えなくてもよく第３刺激電極９−１を省略することができる。
【００２５】
一方、ＡＤＰ電流のみでは膜電位の準安定状態を生成するだけであり、次にスパイクを発生させるには足りない場合も想定することができる。先にあげたHaj-Dahmane & Andrade等の文献(1997)によれば、実際の神経細胞においては、ＡＤＰ電流だけではスパイクの繰り返し生成を持続させることはできない。この場合には、第３刺激電極９−１によりノイズを付加することにより、スパイクの繰り返し生成を持続させることができる。本実施の形態では、ＡＤＰが十分大きくはなく、それだけでは上述したような方法では、メモリーとしてのＯＮとＯＦＦの２つの状態を作れない場合に、そこに第３刺激電極９−１によりノイズを付加することにより記憶素子を構成することまたそのときの記憶方法も提供している。
【００２６】
４．光異性化基を持つ分子を用いた記憶素子
図１１に、光異性化基を持つ分子を用いた記憶素子の構成図を示す。
この実施の形態の記憶素子は、分子１−２、書き込み光照射部２−２、消去光照射部３−２、プローブ光吸収度合測定部４−２、プローブ光照射部４−３、ノイズ光発生部９−２を備える。図１中、系１、書き込み部２、消去部３が、それぞれ図１１中の、分子１−２、書き込み光照射部２−２、消去光照射部３−２に対応する。ノイズ光発生部９−２は、ノイズ９を加えるものとする。図１中、読み出し部４は、図１１中の、プローブ光吸収度合測定部４−２、プローブ光照射部４−３に対応する。各照射部の波長は、この例に限らず、分子１−２に応じて、短波長、長波長等の適宜の波長を用いることができる。
【００２７】
分子１−２は、光異性化基を持ち、ある波長以下の光子を吸収してトランス状態からシス状態に遷移する。トランス状態にある分子１−２は、熱揺らぎに対して概ね安定である。しかしながら、シス状態にある分子１−２は、熱揺らぎの下でやがてより安定なトランス状態に戻る。すなわち、シス状態は熱揺らぎの下で準安定状態である。ある波長の光がトランス状態の分子１−２に当たってこれをシス状態に遷移させる確率は、偏光と分子１−２の配向に依存する。これらが平行の場合の遷移確率は高いが、垂直の場合には低い。なお、シス状態にある分子１−２に、所定の波長（例えば、ある波長以上又はある波長以下）の光を当てた場合には、分子１−２はトランス状態に遷移する。
【００２８】
書き込み光照射部２−２は、トランス状態にある分子１−２に、ある波長以下の光を十分多く（十分強くまたは十分長時間、以下同様）照射することにより書き込みを行う。「十分多く照射」する理由としては、次の通りである。上述したように、トランス状態からシス状態への遷移確率は、光の波長のみならず、偏光と分子配向にも依存する。また、分子の配向は熱ゆらぎにより時々刻々変化すると考えられる。従って、十分多く照射することにより、分子１−２のトランス状態からシス状態への遷移確率を１（又は１に近い値）にすることができる。消去光照射部３−２は、シス状態にある分子１−２に、ある波長以上の光を十分多く（十分強く又は十分長時間）照射することにより消去を行う。
トランス状態とシス状態では光の吸収曲線（横軸に波長、縦軸に吸収確率をプロットしたもの）は異なる。この特性を利用して、プローブ光照射部４−３は、分子１−２の状態を乱さない程度の弱い光（プローブ光）を分子１−２に照射し、その吸収度合を測定することにより読み出しを行うことができる。なお、分子１−２の状態を乱さない程度の弱い光とあるのは、トランス状態とシス状態との間の遷移を誘発しない程度の光であることを意味する。
【００２９】
ノイズ光発生部９−２は、ノイズ光を発生して分子１−２に照射する。ノイズ光は、例えば、様々な波長・偏光のものが混ざり、時間的にも各成分の強さがランダムに変化するような光（例えば自然光、白熱球光）が用いられる。ただし、シス状態からトランス状態への遷移を誘発する低波長の光はカットしたノイズ、すなわち、白色ノイズではなく、色つきノイズを用いるとよい。シス状態を準安定にするために必要な熱揺らぎは、常温下において自然に取り込まれることもある。シス状態が自然のノイズ光で準安定に保たれる場合、ノイズ光発生部９−２は省略することができる。このときノイズ光取り込み部を備えるようにしてもよいし、さらに、そこにフィルターを設けて色つきノイズ等の選択された波長の光を透過するようにしてもよい。
シス状態にある分子１−２は、シス状態から直接トランス状態になるのではなく、不安定な中間状態を経由する。波長、偏光および分子配向が同じ場合、中間状態におけるノイズ光の吸収確率のほうがトランス状態におけるノイズ光の吸収確率よりも高い。従って、同じ波長、偏光および分子配向下において、分子１−２が中間状態である場合、分子１−２は再びシス状態に引き戻される。分子１−２がトランス状態である場合、分子１−２はシス状態へ遷移しない。したがって、ノイズ光により、準安定状態であるシス状態は持続することができるが、一方、安定状態であるトランス状態から中間状態を経てシス状態へ遷移しない。こうして記憶素子を実現することができる。
【００３０】
５．付記
上述の実施の形態では、系を、コンピュータ、神経細胞、分子で実現する例を説明したが、これに限らず準安定、安定状態を有する適宜のものを用いることができる。また、状態の遷移に関してはノイズに注目して説明しているが、単なるノイズに限らず、適宜の信号でもよく、また、ノイズを適宜の連続的に発生される信号を含む広い概念とすることもできる。
なお、本発明の記憶方法又は記憶装置・システムは、その各手順をコンピュータに実行させるための記憶プログラム、記憶プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、記憶プログラムを含みコンピュータの内部メモリにロード可能なプログラム製品、そのプログラムを含むサーバ等のコンピュータ、等により提供されることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、神経情報処理におけるノイズの役割により、神経系における新規な情報処理デバイスを提供することができる。また、本発明によると、ある値より大きい(または小さい)作用を受けると準安定な状態に遷移する系（物質系）を用いて、そこにノイズを付加すること又は自然に存在するノイズを利用することにより記憶素子および記憶方法を提供することができる。また、本発明によると、状態レベル（例えば、電圧、電流、抵抗、等）があるしきい値に達すると、この状態レベルはしきい値よりも低いある値にリセットされ、それと同時にこの状態レベルをしきい値の方向に引き上げる推進力が生じ、この推進力が状態レベルが再びしきい値に達しない限り、一定期間後に消える、という性質を持つ物質に対して、そこにノイズを用いることにより記憶素子を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】記憶素子の構成図。
【図２】系１の特性についての説明図。
【図３】準安定状態又は安定状態での系１の状態Ｖの動きを表す図。
【図４】安定状態が保持される様子を表す図。
【図５】ノイズ９により準安定状態が保持される様子を表す図。
【図６】コンピュータを用いた記憶素子の構成図。
【図７】数値シミュレーションの結果の図。
【図８】神経細胞を用いた記憶素子の構成図。
【図９】ＡＤＰを生じない場合の神経細胞の特性図。
【図１０】ＡＤＰを生ずる場合の神経細胞の特性図。
【図１１】光異性化基を持つ分子を用いた記憶素子の構成図。
【符号の説明】
１  系
２  書き込み部
３  消去部
４  読み出し部
９  ノイズ
１−１  神経細胞
２−１  第１刺激電極
３−１  第２刺激電極
４−１  測定電極
９−１  第３刺激電極
１−２  分子
２−２  書き込み光照射部
３−２  消去光照射部
４−２  プローブ光吸収度合測定部
４−３  プローブ光照射部
９−２  ノイズ光発生部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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