(57)【要約】非生物学的非同期ニューラルネットワークシステムは、それぞれネットワークへの入力刺激を表す入力信号を受信しリズム性電気パルス時空間シーケンスを表す出力信号を外部システムへ供給する複数のニューロンを含み、複数のニューロンはそれぞれ複数の相互抑制性リンクを用いて接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネットワークへの入力刺激を表すそれぞれの入力信号を受信し、そのような入力刺激の受取に応じて出力信号を生成するようそれぞれが動作可能な複数のニューロンを備える人工非同期ニューラルネットワークシステムであり、
前記ネットワークシステムはそのような入力刺激の受取に応じてリズム性電気パルスの時空間シーケンスを表す出力信号を外部システムへ供給するように動作可能であり、
前記複数のニューロンのそれぞれの対は相互抑制性リンクを用いて相互接続される、人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項２】
前記ニューロンの一部は、前記ネットワークが中枢パターン発生器の所定の機能を提供するように相互興奮性リンクを用いて相互接続される、請求項１に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項３】
抑制性リンクは、シナプスを提供し、差動電流増幅器を用いて形成される、ニューロン対の間のシナプスリンクである、請求項１に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項４】
ニューロン膜は、生物学的ニューロンの応答を模倣するように動作可能な複数のコンダクタンス部品を含む、請求項３に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項５】
ニューロン膜チャネルのコンダクタンスは、ニューロンの膜電圧を制御する役割を果たす、請求項４に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項６】
差動電流増幅器は、ニューロン対から、それぞれの出力膜電圧測定値を入力として受信するように構成される、請求項５に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項７】
前記差動電流増幅器は、制御信号を入力として受信して前記シナプスのコンダクタンスを制御するように構成される、請求項３に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項８】
ニューロンは、差動ＣＭＯＳトランジスタのそれぞれの対から構成される、請求項１に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項９】
選択される入力信号は、前記ネットワークの特定リミットサイクルを生成する、請求項１に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の人工非同期ニューラルネットワークシステムを備える中枢パターン発生器であり、
前記ニューロンは前記発生器への入力刺激を表す入力信号を受信し、外部システムにおいて使用される周期的電気パルスのシーケンスを表すような出力信号を供給するよう動作可能であるように、前記複数のニューロンは相互抑制性リンクを用いて所定の構成で一緒に接続される、中枢パターン発生器。
【請求項１１】
前記ニューロンは、前記ニューロンのチャネルコンダクタンス部品を表すＣＭＯＳトランジスタのそれぞれの差動対から形成される、請求項１０に記載の中枢パターン発生器。
【請求項１２】
前記チャネルコンダクタンス部品は、前記入力信号を用いてニューロンの膜電圧値を提供するように動作可能である、請求項１１に記載の中枢パターン発生器。
【請求項１３】
ニューロン対の間の抑制性シナプスリンクを提供するために、前記ニューロン対からそれぞれの膜電圧値を入力として受信するように動作可能である差動電流増幅器をさらに含む、請求項１２に記載の中枢パターン発生器。
【請求項１４】
前記差動電流増幅器は、前記シナプスリンクのコンダクタンス値を制御するように動作可能である制御トランジスタを含むＣＭＯＳベースの差動電流増幅器である、請求項１３に記載の中枢パターン発生器。
【請求項１５】
前記制御トランジスタはニューロン間の結合度を表すコンダクタンス値を提供するように動作可能であり、前記差動電流増幅器にニューロンの膜電圧が入力される、請求項１４に記載の中枢パターン発生器。
【請求項１６】
シナプス前ニューロン又はシナプス後ニューロンへ出力電流の方向を変えることによって、興奮性作用又は抑制性作用を与えるように動作可能である、請求項１４又は１５に記載の中枢パターン発生器。
【請求項１７】
請求項１から９のいずれかに記載の人工ニューラルネットワークシステムを形成するため配置されるＣＭＯＳトランジスタの複数の差動対を備える、集積回路。
【請求項１８】
請求項１０から１６のいずれかに記載の中枢パターン発生器を形成するため配置されるＣＭＯＳトランジスタの複数の差動対を備える、集積回路。
【請求項１９】
人工ニューラルネットワークを用いて、調整された電気パルスの時空間的シーケンスを生成する方法であって、
相互抑制性シナプスリンクを用いて、抑制性シナプスに対応する人工シナプスリンクのコンダクタンス値を選択することによって、複数のＣＭＯＳベースのニューロン部品を相互接続するステップと、
前記ネットワークに入力刺激を与えて、前記ニューロンの複数を前記ネットワーク内の安定経路に沿って発火させるステップと、
電気パルスの出力シーケンスを生成するステップと、を含む方法。
【請求項２０】
前記ネットワークにおけるニューロン対のために、シナプス後ニューロンに導入される電流がシナプス前ニューロンの膜電圧とシナプス後ニューロンの膜電圧との間の電圧差に比例するように前記コンダクタンス値を選択する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
抑制性シナプスは差動電流増幅器を含み、前記増幅器の電流源のゲート電圧を用いて前記コンダクタンス値を制御する、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ニューラルネットワークは非同期である、請求項１９から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
心臓と共に使用して、電気パルスの調整されたシーケンスで心腔を刺激することにより前記心腔の収縮を調整するためのペースメーカーであり、
入力刺激に応答してそのような調整されたパルスのシーケンスを提供するように動作可能である、請求項１０から１６のいずれか１項に記載の中枢パターン発生器又は請求項１８に記載の集積回路を備える、ペースメーカー。
【請求項２４】
前記パルスのシーケンスを用いて心腔拍動を調整するように動作可能である、請求項２３に記載のペースメーカー。
【請求項２５】
前記中枢パターン発生器は、心腔拍動を調整するために、前記入力刺激における変化に応じて、前記調整されたパルスのシーケンスを同期させるように動作可能である、請求項２３又は２４に記載のペースメーカー。
【請求項２６】
前記中枢パターン発生器は、前記心腔拍動を調整して他の身体リズムに同期させるように動作可能である、請求項２５に記載のペースメーカー。
【請求項２７】
前記中枢パターン発生器は、外部条件における変化に応じて前記入力刺激を調節するよう動作可能である、請求項２５又は２６に記載のペースメーカー。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ニューラルネットワークは、化学・電気信号を介して情報を伝達又は処理するためにシナプスを介して互いに通信する複数のニューロンから形成される。化学シナプスでは、複雑なイベントのシーケンスがニューロンを発火させる。しかしながら、化学シナプスでの通信の種々の物理的メカニズムに関わらず、シナプス入力の効果は、興奮性（膜電位を上げる）又は抑制性（膜電位を下げる）に分類される。ニューロンは、化学シナプスと同様の役割を果たす、ギャップ結合や電気シナプスと呼ばれる第二のタイプのシナプスを介しても通信する。化学シナプスと異なり、ギャップ結合は、シナプス前ニューロンからシナプス後ニューロンへの電気信号伝達に時間遅延を生じない。
【０００２】
中枢パターン発生器（ＣＰＧ）は、動物や人間の運動活動を調整し、生命を維持するリズムを内生的に生じるためのニューラルネットワークである。通常、中枢パターン発生器は、過渡的又は永続的な、動作、呼吸、水泳、嚥下、リズム生成、及びその他の振動機能にとって中心的な役割に亘る複数の機能を果たす。中枢パターン発生器は、ヒルや腹足類といった無脊椎動物から哺乳類の脳幹まで、あらゆる動物に見られる。
【発明の概要】
【０００３】
ある実施例によれば、分散プロセスの調整を可能にするために電気パルス時空間シーケンスを生成するニューラルネットワークが提供される。ある実施例において、電子ニューロンは、相互抑制性リンクを通して相互接続され、競合して順に発火する。こうして、電気的活動は、加えられる刺激によって決まる軌道のネットワークにおける安定経路に沿って、１つのニューロンから次のニューロンへと移る。ある実施例において、抑制性リンクを、必要に応じて興奮性リンクに切り替えることができる。
【０００４】
ある実施例によれば、ネットワークへの入力刺激を表すそれぞれの入力信号を受信し、リズム性電気パルスの時空間シーケンスを表す出力信号を外部システムへ供給する複数のニューロンを備える非生物学的非同期ニューラルネットワークシステムであり、複数のニューロンのそれぞれは複数の相互抑制性リンクを用いて接続される、非生物学的非同期ニューラルネットワークシステムが提供される。ニューロンの一部は、中枢パターン発生器の所望の機能に基づいて選択される相互興奮性リンクを用いて接続され得る。例えば、興奮性シナプスの割合は、０〜１００％で変化し得る。興奮性シナプスの数は、心臓、呼吸、あるいは水泳等のための中枢パターン発生器といった、モデル化される生物学的中枢パターン発生器（ＣＰＧ）の種類に依存して変化し得る。ある実施例において、コンダクタンス行列が計算され、所与のリズムパターンに使用される。通常、コンダクタンスの一部は正（興奮性）であり、その他は負（抑制性）である。抑制性リンクは、シナプスを形成するため、差動電流増幅器を用いて形成される、ニューロン対の間のシナプスリンクであり得る。ニューロン膜は、生物学的ニューロンの応答を模倣するため複数のコンダクタンス部品を含み得る。ニューロン膜チャネルのコンダクタンスは、ニューロンの膜電圧を制御し得る。差動電流増幅器は、ニューロン対から、それぞれの出力膜電圧測定値を入力として受信し得る。差動電流増幅器は、制御信号を入力として受信してシナプスのコンダクタンスを制御し得る。
【０００５】
ある実施例によれば、ニューロンが差動ＣＭＯＳトランジスタの複数の対から構成される、非生物学的非同期ニューラルネットワークシステムが提供される。選択される入力信号は、ネットワークの特定リミットサイクルを生成するために使用し得る。
【０００６】
ある実施例によれば、複数の相互抑制性リンクを用いて所定の構成で一緒に接続される複数のニューロンを備える中枢パターン発生器であり、ニューロンは、発生器への入力刺激を表す入力信号を受信し、外部システムにおいて使用される周期的電気パルスのシーケンスを表す出力信号を供給する、中枢パターン発生器が提供される。ニューロンは、ニューロンのチャネルコンダクタンス部品を表すＣＭＯＳトランジスタの複数の差動対から形成され得る。チャネルコンダクタンス部品は、入力信号を用いてニューロンの膜電圧値を提供し得る。ある実施例において、差動電流増幅器は、ニューロン対の間の抑制性シナプスリンクを提供するために、ニューロン対からそれぞれの膜電圧値を入力として受信し得る。差動電流増幅器は、シナプスリンクのコンダクタンス値を制御する制御トランジスタを含むＣＭＯＳベースの差動電流増幅器であり得る。制御トランジスタは、ニューロン間の結合度を表すコンダクタンス値を提供することができ、差動電流増幅器に膜電圧が入力される。ある実施例において、中枢パターン発生器は、シナプス前ニューロン又はシナプス後ニューロンへ出力電流の方向を変えることによって、興奮性作用又は抑制性作用を与え得る。
【０００７】
ある実施例によれば、請求項１から９のいずれかに記載のネットワークシステムを形成するため配置されるＣＭＯＳトランジスタの複数の差動対を備える集積回路が提供される。
【０００８】
ある実施例によれば、請求項１０から１６のいずれかに記載の中枢パターン発生器を形成するため配置されるＣＭＯＳトランジスタの複数の差動対を備える集積回路が提供される。
【０００９】
ある実施例によれば、人工ニューラルネットワークを用いて、調整された電気パルスの時空間シーケンスを生成する方法であって、相互抑制性シナプスリンクを用いて、抑制性シナプスに対応する人工シナプスリンクのコンダクタンス値を選択することによって複数のＣＭＯＳベースのニューロン部品を相互接続するステップと、ネットワークに入力刺激を与えてニューロンの複数をネットワーク内の安定経路に沿って発火させるステップと、電気パルスの出力シーケンスを生成するステップと、を含む方法が提供される。ネットワークにおけるニューロン対のために、シナプス後ニューロンに導入される電流がシナプス前ニューロンの膜電圧とシナプス後ニューロンの膜電圧との間の電圧差に比例するようにコンダクタンス値を選択し得る。抑制性シナプスは差動電流増幅器を含み、増幅器の電流源のゲート電圧を用いてコンダクタンス値を制御し得る。ある実施例において、ニューラルネットワークは非同期であり得る。
【００１０】
ある実施例によれば、心臓と共に使用して、電気パルスの調整されたシーケンスで心腔を刺激することにより心腔の収縮を調整するペースメーカーであり、請求項１０から１６のいずれかに記載の中枢パターン発生器又は請求項１８に記載の集積回路を備え、入力刺激に応答して調整されたパルスシーケンスを提供する、ペースメーカーが提供される。心腔拍動は、パルスのシーケンスを用いて調整され得る。中枢パターン発生器は、心腔拍動を調整するために、入力刺激における変化に応じて、調整されたパルスのシーケンスを同期するように動作可能である。中枢パターン発生器は、心腔拍動を調整して、他の身体リズムに同期させる。中枢パターン発生器は、外部条件における変化に応じて入力刺激を調節するよう動作可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１（ａ）は、ある実施例に係る相互抑制性シナプスを通して競合する５つのニューロンのニューラルネットワークを表す。図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、図１（ａ）における５つのニューロンを２つの異なる電流刺激(0,0.4,0,0,0.4)及び (0.4,0,0.4,0.4,0)によって興奮させる時に得られる調整パルスパターンの２つの例を示す。
【図２】ある実施例に係る電子ニューロン膜の概略図である。
【図３】ある実施例に係る図１における膜のカリウムチャネルのコンダクタンスを制御する回路の概略図である。
【図４】ある実施例に係る図１における膜のナトリウムチャネルのコンダクタンスを制御する回路の概略図である。
【図５】増加する電流興奮Iinjに対するニューロン回路（図２〜４）の典型的応答を示す。
【図６（ａ）】ある実施例に係るギャップ結合シナプスを実装する回路の概略図である。
【図６（ｂ）】ある実施例に係るギャップ結合シナプスの出力電圧の一連のプロットを示す。
【図６（ｃ）】ある実施例に係る中枢パターン発生器の概略構成図である。
【図７】ある実施例に係るプリント回路基板の部品面においてシナプス対がどのように実装されるのかを示す概略図である。
【図８】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板の部品面の左上四分区間の概略図である。
【図９】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板のはんだ面の左上四分区間の概略図である。
【図１０】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板の部品面の右上四分区間の概略図である。
【図１１】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板のはんだ面の右上四分区間の概略図である。
【図１２】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板の部品面の左下四分区間の概略図である。
【図１３】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板のはんだ面の左下四分区間の概略図である。
【図１４】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板の部品面の右下四分区間の概略図である。
【図１５】ある実施例に係る中枢パターン発生器のプリント回路基板のはんだ面の右下四分区間の概略図である。
【図１６】実用的実装例として図１２におけるプリント回路基板上に搭載される部品の詳細を示す概略図である。
【図１７】実用的実装例として図１４におけるプリント回路基板上に搭載される部品の詳細を示す概略図である。
【図１８】ある実施例に係る運転中のテスト中枢パターン発生器を示す。
【図１９】ある実施例に係る相互興奮性シナプスを通して相互作用する２つのニューロンの同相同期を示すプロットの集合である。
【図２０】ある実施例に係る相互抑制性シナプスを介して結合される２つのニューロンの逆相同期を示すプロットの集合である。
【図２１】ある実施例に係る複雑な調整パターンを与える相互抑制性シナプスを通して競合する４つのニューロンの振動を示すプロットの集合である。
【図２２】ある実施例に係る相互抑制性対の同期を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
例示のみを目的として、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を以下に説明する。
【００１３】
ここで、種々の要素を説明するため「第一」、「第二」等の用語を使用する場合があるが、これらの要素は前記用語によって限定されない。前記用語は、一つの要素を他の要素から区別するためだけに使われる。本明細書で使用される用語は、単に特定の実施例を説明するために使われ、発明を限定する意図はない。単数の表現（英語の“a”、“an”、“the”）は、文脈上明らかに異なる意味を持たない限り、複数の表現も含む。本明細書で使用される用語「及び／又は」は、関連して列挙される項目のうちの１つ以上の項目の任意の組合せ及び全ての可能な組合せを含む。本明細書で使用される用語「備える」及び／又は「含む」は、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は部品が存在することを特定するものであって、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品及び／又はこれらの群の存在又は付加を除外しない。
【００１４】
ある実施例によれば、ニューラルネットワークは、人工ニューロンから構成される非生物学的ネットワークであり、ニューロン対は、異なるコンダクタンスを有する一方向シナプス対によって接続される。対となるシナプスは、例えば、両方とも抑制性、両方とも興奮性、又は、一方が抑制性で他方が興奮性であってもよい。通常、このような構成は全て現在の技術を用いて利用可能であるが、調整パターンが維持されることから、相互抑制性構成が応用のために最も重要である。図１は、ある実施例に係るニューラルネットワークの概略図であり、５つのニューロンが相互抑制性シナプスにより相互接続される。ある実施例によれば、より多くの又はより少ないニューロンがネットワークに存在し得る。通常、より多くのニューロンが存在する。
【００１５】
図１を参照して、ニューロンＡが発火すると、ニューロンＢの発火がブロックされる。逆の場合も同様で、ニューロンＢが発火すると、ニューロンＡがブロックされる。ニューロンＡ及びＢの交互の発火により、ヒルの心臓の鼓動等、自然界における中枢パターン発生器の振動を裏打ちした安定した振動が生じる。したがって、Ｎ個のニューロンが相互抑制性シナプスを通して接続される時、ニューロンは同様に競合して順に発火する。神経活動はネットワークにおいて１つのニューロンから次のニューロンへと移り、ネットワークを刺激する入力電流である入力刺激によって特定される経路のネットワークにおける軌道が発火シーケンスによって記述される。
【００１６】
図１の例において、５つのニューロンが相互抑制性シナプスを介して相互接続される。電気的活動は、１つのニューロンから次のニューロンへと移り、電圧パルスの時空間シーケンスを生み出す。これらシーケンスのうちの２つが、図１（ｂ）と図１（ｃ）とに示される。図１（ｂ）と図１（ｃ）とは、２つの異なる電流刺激に対応し、図１（ａ）における５つのニューロンを２つの異なる電流刺激(0,0.4,0,0,0.4)及び (0.4,0,0.4,0.4,0)によって興奮させた時に得られる調整パルスパターンの２つの例を示す。
【００１７】
ある実施例において、図１を参照して記載されるようなネットワークは、様々なニューロンモデルを用いて、ハードウェアで実装することができる。通常、ニューロンモデルの選択にあたっては、例えばチップ上のネットワークの集積を容易に行い大きなネットワークを縮小できるように、ニューロンを実装するために使用される技術と所望のシステム全体としての技術とに互換性があるかどうかが考慮される。さらに、例えばニューロンにおける閾値電圧、イオンチャネルコンダクタンス、及び時間遅延を制御するパラメータが実際の（生物学的）ニューロンにおいて同等量を有することが一般的に有利である。これにより、中枢パターン発生器ハードウェアを用いた生物学的中枢パターン発生器（ＣＰＧ）の定量モデル化が可能になる。生物学的中枢パターン発生器の正確なシミュレーションは、ペースメーカーのような運動活動を調整することができる人工装具の作製、及び、薬物治療の代替としての神経電気刺激に基づいた内科的療法の開発に、重要である。なお、哺乳類や鳥類といった最も複雑なニューロンの正確なモデル化を可能にするカルシウムや内向き整流カリウム等の付加的なイオンチャネルを組み入れることで、ニューロンは拡張可能である。
【００１８】
図２は、ある実施例に係るニューロン膜の概略図である。トランジスタ２０２及び２０１は、それぞれｎ型及びｐ型ＭＯＳＦＥＴであり、それらのドレイン・ソース間コンダクタンスは、カリウムチャネルのコンダクタンス（gK）及びナトリウムイオンチャネル（gNa）のコンダクタンスをモデル化する。ＭＯＳＦＥＴ２０１及び２０２は、これらイオンチャネルの開閉を制御する図３及び４に示すサブ回路の一部であり、より詳細に後述する。
【００１９】
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【００２０】
チャネルの開閉は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴの対３００、４００、及び４０１によって図３及び４に示す回路でモデル化されるシグモイド応答関数ａｉ０（Ｖ）により記述される。時定数τh,τnは、ローパスフィルタを用いて得られる。時定数τmは、実際のニューロンにおいて非常に小さく、ゼロと見なすことができる。このことは、膜が脱分極するとすぐにＮａチャネルが開くことを意味する。ある実施例において、ニューロン回路のグランドレベルとＥｋとが両方とも、シナプスのグランドレベルより1.5V高く設定される。ＥＮａ＝6.5Ｖ（シナプスのグランドレベルに対して）である。
【００２１】
図３は、カリウムチャネルのコンダクタンスを制御する回路の概略図である。本図におけるＭＯＳＦＥＴ２０２は、図２におけるＭＯＳＦＥＴ２０２と同じである。KDKNEEは、カリウムチャネル開放の閾値電圧、すなわち、Vnである。チャネル開放は、時間遅延τnを与える図中左のフォロワ積分器ローパスフィルタによって遅延される。τnは、キャパシタCmの充電率を電流源KDTAUNで変更することにより調整される。KDMAXは、カリウムコンダクタンス
2015523634.tif 000004
の飽和値を間接的に設定する。これは、３０１に沿ったシグモイド電流がｐ型電流ミラー３０３によってミラーされて、ＭＯＳＦＥＴ２０２のドレイン・ソースコンダクタンス
gKを制御するためである。よって、結果として得られる、トランジスタ２０２を通るドレイン・ソース電流は、
2015523634.tif 000005
である。ある実施例において、この回路のグランドレベルは1.5Vであり、Vdd=6.5Vである。
【００２２】
図４を参照して、当該回路は、ナトリウム電流のコンダクタンスをモデル化する。本図におけるＭＯＳＦＥＴ２０１は、図２におけるＭＯＳＦＥＴ２０１と同一である。ニューロン膜の初期脱分極は、Ｎａイオンの急激な流入を伴う。この理由により、Ｎａイオンチャネルの開放は即時であると想定され、よって、τm=0である。NAONKNEEは、ゲートが開放する電圧閾値、即ち、Vnであり、NAONMAXは、
2015523634.tif 000006
の最大値を決定する。ある時間遅延τhの後、Ｎａチャネルの不活性化ゲートは閉まり始める。この遅延は、NATAUHによってその積分時間が制御されるローパスフィルタによりモデル化される。膜電圧が電圧閾値NAOFFKNEE、即ちVhを超えると、チャネルは閉まり始める。NAONMAXとNAOFFMAXとは共に、
2015523634.tif 000007
の飽和値を制御する。
【００２３】
４０３に沿ったシグモイド不活性化電流は、シグモイド不活性化電流を有効に反転するｐ型ＭＯＳＦＥＴ対によってミラーされ、不活性化を得る。４０５に沿った電流は、対４００によって引き出される活性化電流から、対４０１によって引き出される活性化電流を引いた差である。電流差によって、それぞれ変数ｍ及びｈの拮抗作用が達成される。電流は、本図及び図２においてＭＯＳＦＥＴ２０１によって表されるナトリウムチャネルのコンダクタンスを制御する。よって、ＭＯＳＦＥＴ２０１のドレイン・ソース電流は、
2015523634.tif 000008
をモデル化する。ある実施例において、シナプスのグランドレベルに対して、回路のグランドレベルは1.5Vであり、Vdd=6.5Vである。
【００２４】
図５は、ある実施例に係るニューロンの興奮性応答を示す。ニューロンは、閾値電流値で発火し始め、電流が増加するとより速い速度で発火する。この特性により、中枢パターン発生器ペースメーカーは、そのペースを運動等の刺激に適応させることができる。
【００２５】
図６（ａ）は、ある実施例に係るギャップ結合シナプス用回路の概略図である。ギャップ結合シナプスは、シナプス前ニューロンの膜電圧V1とシナプス後ニューロンの膜電圧V2との間の電圧差に比例する電流を、シナプス後ニューロンに導入する。
Ｉ１→2＝ｇ（Ｖ1-Ｖ2）
【００２６】
ある実施例において、比例定数ｇは、ニューロン間の結合強度を表すシナプスのコンダクタンスである。値ｇ＞0は、V2に対するシナプス前電位V1の増加によりシナプス後ニューロンに正電流が導入されることから、興奮性シナプスに対応する。値ｇ＜0は、シナプス前電圧の増加により導入される電流が減少することから、抑制性シナプスに対応する。
【００２７】
ある実施例によれば、図６（ａ）に示されるように、ギャップ結合シナプスは、差動電流増幅器を用いて、ハードウェアで実装される。電流増幅器は、シナプス前及びシナプス後ニューロンの膜電圧を入力として受信する。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ対は、それぞれV1とV2とによって制御されるドレイン・ソース電流I1とI2とを生成する。特に、V1=V2である時、I1=I2である。双方の電流は、それぞれのｐ型ＭＯＳＦＥＴ対によってミラーされる。追加のｎ型ＭＯＳＦＥＴ対５０１は、出力電流Iout = I1-I2となるように、I2を反転する。当然ながら、V1 = V2である時、Iout = 0である。V1はI1を増加させる効果があり、V2はIoutを減少させる。絶対強度Ioutは、ゲート電圧Vmaxを介して電流源ＭＯＳＦＥＴによって制御される。よって、回路は、調整可能なコンダクタンスでギャップ結合シナプスをモデル化する。
ＩOUT＝ｇ（Ｖ1-Ｖ2）
【００２８】
興奮又は抑制は、出力電流を適宜シナプス前又はシナプス後ニューロンに供給することによって得られる。ある実施例によれば、４つの組み合わせが存在する。
【００２９】
【表１】
2015523634.tif 000009
【００３０】
ある実施例において、この回路のグランドレベルは0Vであり、Vdd=8Vである。膜電圧の変動範囲において差動増幅器が正しく動作できるように、シナプスのグランドレベルをニューロンのグランドレベル（1.5V）より低く設定し、シナプスの供給電圧をニューロンの供給電圧（6.5V）より高く設定することが望ましい。
【００３１】
ギャップ結合シナプスの典型的な応答を図６（ｂ）のプロットに示す。V2を一定に保ちながら、V1の関数として各曲線を計測した。図６（ｂ）に示されるように、V1=V2で、出力電流の符号が変わる。V2が増加すると、このクロスオーバーはより高いV1にシフトする。Vmaxを大きくする効果は、図６（ｂ）において１つのグラフから次のグラフで示される。電流が符号を逆にするには、シナプスのVddをニューロンのVddより少し高く、例えば1〜2V高く、保持する必要があり、同様に、シナプスのグランドレベルをニューロンのグランドレベルより少し低くする必要がある。ある実施例において、シナプスのVdd は8V、グランドレベルは0Vであり、膜電圧は1.5Vと6.5Vとの間で変化する。図６（ｂ）に示される４つの電圧レベルは、8Vをツェナーダイオードと直列の100Ωの抵抗器に印加し、5Vの逆電圧を別の100Ωの抵抗器に直列に印加することによって得られる。
【００３２】
ある実施例によれば、シナプスのコンダクタンスg は、図６（ａ）における電流源ゲート電圧Vmaxによって制御される。これにより、全電流I1 + I2が制御される。ある実施例において、個々のシナプスのコンダクタンスは、0から数ミリジーメンスまで連続的に調整され得る。
【００３３】
図６（ｃ）は、ある実施例に係る中枢パターン発生器の概略構成図である。中枢パターン発生器７９９は、非生物学的ニューラルネットワーク等のニューラルネットワークを形成する相互接続されたニューロン対８０１を含む。即ち、ニューロン８００は、抑制性シナプスリンク８０３を用いて接続される。分かりやすくするために１対しか図示していないが、複数対８０１を中枢パターン発生器７９９に設けることができる。各ニューロン８００は、複数のコンダクタンス部品８０５、８０７を含む。部品８０５、８０７はそれぞれ、前述のナトリウム及びカリウムチャネルのような、ニューロン膜チャネルのコンダクタンスの計測値を提供することができる。
【００３４】
中枢パターン発生器への入力８０９は、ネットワーク８０１への入力刺激を表す１つ以上の入力信号の形をとる。それぞれのニューロン８００に異なる刺激を与えるために、複数の入力信号８１０を使用することができる。概して、入力刺激８０９は、中枢パターン発生器７９９の種々の部品に印加され得る１つ以上の入力信号を表す。
【００３５】
中枢パターン発生器の出力８１１は、前述のシステムのいずれか１つ等の外部システム８１３に提供され得るリズム性電気パルスの時空間シーケンスとしての信号である。すなわち、出力８１１は、外部システム８１３で使用される周期的電気パルスのシーケンスである。
【００３６】
図７は、ある実施例に係るプリント回路基板においてシナプス対がどのように実装されるかを示す概略図である。このように、図７は、スイッチ１つで各シナプスを抑制性又は興奮性にするフレキシビリティを得るために、ある実施例においてシナプス対がどのように接続されるかを示す。当該実施例において、左から順に、１つのＱＵＡＤｐ型ＭＯＳＦＥＴチップ（ＡＬＤ１１０７）、１つのＤＵＡＬｎ型ＭＯＳＦＥＴチップ（ＡＬＤ１１１６）、及び１つのＱＵＡＤｎ型ＭＯＳＦＥＴチップ（ＡＬＤ１１０６）を用いて、各シナプスが実装される。ＡＬＤ１１０７は、２つのｐ型電流ミラーを含む。ＡＬＤ１１１６は、Ｖ１及びＶ２によって開閉されるｎ型ＭＯＳＦＥＴを含む。ＡＬＤ１１０６は、図６（ａ）におけるＶｍａｘＭＯＳＦＥＴ及び５０１の対を含む。ＡＬＤ１１０７のピン２及び７に膜電圧V1及びV2が入力され、ＡＬＤ１１０６のピン１０から出力電流が生じる。ＳＩＬレバースイッチの役割は、ニューロン１又は２へ出力電流の方向を変えて、以下に従って興奮性又は抑制性を達成することである。 
【００３７】
【表２】
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【００３８】
図８〜１５は、ある実施例に係る６つのニューロンの中枢パターン発生器のプリント回路基板の４つのパネルを示す概略図である。各パネルは、図示されるように、部品面とはんだ面とを有する。４つのパネルが組み立てられる際、パネル端の互いに対向する中空円は共に配線される。
【００３９】
図８は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、部品面での、左上四分区間を示す。図７は、図８の詳細を示し、同じ部品は全てのシナプスS12、S21、S13、…S36、S63でステップが繰り返される。図９は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、はんだ面での、左上四分区間を示す。図１０は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、部品面での、右上四分区間を示す。ここで、S12、S21に使用される部品と同様の部品は、S31、S14、…S36、S63でステップが繰り返される。図１１は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、はんだ面での、右上四分区間を示す。図１２は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、部品面での、左下四分区間を示す。ここで、S12、S21に使用される部品と同様の部品は、S45、S54、S46でステップが繰り返される。ニューロンN1〜3上の部品は、図１７におけるN5からステップが繰り返される。図１３は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、はんだ面での、左下四分区間を示す。図１４は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、部品面での、右下四分区間を示す。ここで、S12、S21に使用される部品と同様の部品は、S64、S56、S65でステップが繰り返される。ニューロンN4〜6 の部品は、図１７におけるN5からステップが繰り返される。図１５は、ある実施例に係る中枢パターン生成器のプリント回路基板の、はんだ面での、右下四分区間を示す。
【００４０】
ある実施例によれば、Ｎ個のニューロンを相互接続するために、Ｎ（Ｎ−１）個の相互接続が必要である。この数は非常に大きい可能性があるため、ニューロンを配線するために特別な注意を要する。ある実施例によれば、任意の大きさのネットワーク用のプリント回路基板の２つの面にＮ（Ｎ−１）個の相互接続を装着する方法がある。第一のステップで、図７に示すように、シナプスを二方向対Ｓij 及びＳji（i,j=1,2…Ｎ）で配線する。第二のステップで、これらの対からトラックｉ及びｊを引き出し、それぞれニューロン
ｉ及びｊに接続する。第二のタイプの相互接続は、図８の左側、図９の右側、図１２の左側、及び図１３の右側の垂直配線に対応する。プリント回路基板の部品面及びはんだ面で重なる中空円を接続して、部品面からはんだ面へのトラックの連続性を確保する。
【００４１】
シリコンチップ上で回路をスケーリングする際、ある実施例に係るポリイミドの二段階平坦化を利用して相互接続を作製することができる。ビアホールは、シナプスに接触する第一のポリイミド層を通して作ることができる。第一の金属トラックの組は、プリント回路基板（ＰＣＢ）のはんだ面トラック上の垂直トラックによって示されるように、１対のシナプスから開始して作製することができる。それから、チップは、第二のポリイミド層で被覆され得る。ビアホールは、プリント回路基板の部品面垂直トラックによって示されるように、一端でニューロンに接触して前述のトラック終端又はニューロン対を接続することができる。
【００４２】
ある実施例によれば、５つのニューロンのネットワークは、以下のコンダクタンス行列を表示する。
【００４３】
【数１】
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【００４４】
図７におけるＶｍａｘＭＯＳＦＥＴのゲートバイアスを設定することによって、値をプログラムする。これにより、任意の時空間調整パターンが得られる。
【００４５】
ある実施例によれば、上記のように相互接続されるニューロンによって構成される非生物学的非同期ニューラルネットワークシステムには、多くの用途がある。例えば、感覚フィードバックなしにリズムパターン出力を与えるために、ネットワークを中枢パターン生成器（ＣＰＧ）として使用することができる。こうして、複雑な運動活動を調整するために、リズム性電気パルスの時空間シーケンスを提供することができる。
【００４６】
例えば、電流ペースメーカーは、周期的電圧パルスで心臓の洞房結節を刺激する。これによって、電気活動波が引き起こされ、心臓を通って伝搬して、心電図に見られる明確なＰＱＲＳＴシーケンスにおける心腔の収縮につながる。虚血性心筋症及び非虚血性心筋症には、正常な心臓活動が妨害されるものがある。これは、非同期収縮及びポンプ効率低下につながり、心不全を引き起こす可能性がある。このような場合、ある実施例に係る中枢パターン発生器を含む高性能ペースメーカーは、中枢パターン発生器のインプラントにおけるニューロンによって生成されるタイミングをはかった電気的インパルスが心腔の収縮を調整し続けることから、心不全のプロセスを逆転し生活の質を向上することができる。中枢パターン発生器内の相互抑制性ニューロン対は、心臓リズムを制御するために必要な規則的な振動を生じることができる。ここで、ニューロン振動子は、運動時に心臓が要求するように、自らのペースを身体の活動レベルに適応させることができる利点を有する。これは、ニューロンの自然な興奮性が、刺激強度と共に上昇するペースで中枢パターン発生器を振動させることによる。中枢パターン発生器ペースメーカーは、血液循環効率を向上し心不全を防ぐために、身体における呼吸やその他のリズムに同期する能力を有する。この同期はスポーツ選手において強いことが知られており、同期の欠如は一般的に睡眠時無呼吸、不整脈、心不全として現れる。自然界において、多くの無脊椎動物（ヒル等）は、中枢パターン発生器を心臓ペースメーカーとして用いる。よって、現在のペースメーカーに対する中枢パターン発生器ハードウェアの主な利点は、以下のとおりである。
・  ４つの心腔の調整
・  他の身体リズム、特に呼吸に同期して、心拍を調整し、血液循環効率を高める能力
・  運動レベル等の刺激への中枢パターン発生器ペースの適応性
・  デジタルチップより大幅に低い電力消費（/1000）、及び
・  ＣＭＯＳにおける技術の顕著な拡張性
【００４７】
より一般的に、ある実施例に係る中枢パターン発生器ハードウェアは、電気パルスの複雑な時空間パターンにおける運動活動シーケンスを符号化することができる。神経電気刺激は、迷走神経刺激によるてんかんや耳鳴りの治療や、神経筋刺激による脳卒中患者の再教育等において、薬物治療の代替として使用が増えている療法である。同様に、中枢パターン発生器は、高性能ペースメーカーにおける心腔拍動のタイミング調整や、義肢の動作の調整や、音声合成器の音素の連結等、人工装具における運動活動の調整によく適している。
【００４８】
音声合成は、データベースに記憶される記録音声の連結に基づく。音声合成器の課題は、例えば英語のスペルの多くが文脈に応じて異なって発音されることである。この理由により、個々の母音及び子音の音を連結しても、理解できる文を形成するには不十分であることが多い。このため、現在の音声プロセッサは、語や文全体を記録する必要があり、商業的利用が極めて特殊な状況に限られている。ある実施例に係る中枢パターン発生器ネットワークは、音を組み合わせて語にし、語を組み合わせて文にするために、口、舌、声帯、肺の動きを調整するプログラムを提供することによって、この課題を改善する。ネットワークの出力は、物理的な音声トラックである必要はなく、音声合成の調音アプローチにおいて開発された人間の音声トラックの計算モデルのうちの１つであってもよい。このアプローチは、全音声パラメータの完全な制御を提供し、疑問、発言、感情等のイントネーションを伝えるのに最も成功している。したがって、ある実施例に係る中枢パターン発生器ネットワークは、テキストを理解できる文に変換する音声合成器の高次発声中枢として適している。
【００４９】
図１６は、実用的実装例として図１２におけるプリント回路基板上に搭載される部品の詳細を示す概略図である。ある実施例用に、ある部品が追加される。これらの部品は、ニューロン毎に同一であり、類似のシナプスでは類似している。
【００５０】
図１７は、実用的実装例として図１４におけるプリント回路基板上に搭載される部品の詳細を示す。６つのニューロンが同一であり３０個のシナプスも同一であることから、符号のない部品は、ステップが繰り返される。図示した部品は、どのようにしてニューロン及びシナプスに調整された電圧0V、1.5V、6.5V、及び8Vが供給されるかを示す。
【００５１】
図１８は、ある実施例に係る運転中のテスト中枢パターン発生器ハードウェアを示す。ネットワークは、基板下部に６つのニューロンを含み、上部に５×６シナプスアレイを含む。オシロスコープ画面上に見られるニューロン振動は、４つのニューロンが相互抑制性シナプスを通して競合させられる時に得られる典型的な時空間パターンを生じる。当該実施例において、ニューロン設定は以下の通りである。
NAONMAX = 3.73V
NATH = 1.40V
NAOFFMAX = 2.98V
NAOFFKNEE = 2.85V
KMAX = 3.11V
KNEE = 1.20V
KTAU = 1.02V
NAONKNEE = 1.253V
gL = 0.01mS
C = 10nF
Cn = 100nF
Ch = 10nF
【００５２】
ここで引用される電圧レベルは、（シナプスではなく）ニューロンのグランドレベルに相対する。これらのパラメータにより、ニューロン振動は、電流閾値Iinj = 80μAで開始する。さらに電流を大きくすることにより、振動周波数は、当該閾値での200Hzから、電流Iinj=500μAで通常1kHz に増加した。gLを下げることによって、電流閾値を低くすることができる。集積回路上で中枢パターン発生器をスケーリングする際、これは達成すべき所望の目標である。
【００５３】
図１９は、相互興奮性シナプスを通して相互作用する２つのニューロンの同相同期を示すプロット集合である。通常、どちらのシナプスでも、Ｖｍａｘ＝１−２Ｖである。Ｖｍａｘ＜０．８Ｖでは、ニューロンは分離され、それぞれの固有振動数で振動する。興奮性シナプスによる同期は、ニューロン１及び２を同一振動数及び同相で振動させる効果がある。
【００５４】
図２０は、ある実施例に係る相互抑制性シナプスを介して結合される２つのニューロンの逆相同期を示すプロット集合である。通常、どちらのシナプスでも、Ｖｍａｘ＝１−２Ｖである。相互抑制性シナプスによる同期は、ニューロン１及び２を同一振動数だが互いに位相が不一致で振動させる効果がある。
【００５５】
図２１は、相互抑制性シナプスを通して競合する４つのニューロンによる典型的な時空間パターン出力を示す。１２個のシナプスは、Ｖｍａｘ＝１−２Ｖの範囲で乱数値に設定される。例えばデータ同化技術を用いてシナプスをプログラムすることにより、所望の調整パターンを得ることができる。
【００５６】
図２２は、生きているネズミの呼吸ＥＮＧ等の複雑なリズムへのある実施例に係る中枢パターン発生器の同期例を示す（トレース３）。迷走神経を刺激する電極を介して心拍を調整するために同相および異相で発火パターンを生成することが目的である。特に興味深いのは、呼気時に心臓ポンプがより速くなるトレース２の異相のニューロンバーストである。このように、中枢パターン発生器は、非常に複雑な生物学的リズムへの同相、異相同期において、大部分の高度なペースメーカー（両心室ペースメーカー）が及ばない成果を達成する。
【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（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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