摘要
近年来，受大脑神经信息处理机制和认知行为生物学基础的启发，建立以认知仿生驱动的类脑智能逐渐成为人工智能领域的重要发展路径，而学习与记忆作为大脑的基本认知功能，是实现认知活动的基础，也是类脑智能最集中的体现。然而，当前类脑学习与记忆的神经网络结构没有深层次融合生物学相关理论，所设计的电路结构复杂、体积大和功耗高，并且不够贴近神经元和突触的仿生特性，难以实现大规模、低功耗和可扩展的集成电路，也无法真实地模拟大脑学习与记忆功能。此外，人类认知世界始于多种感觉模态，不同感觉模态之间会存在促进或抑制的相互作用，以此完成不同认知功能并提升认知能力，而现有的类脑学习与记忆电路研究中未考虑模态之间的相互作用。 针对上述问题，本文以生物大脑神经信息处理机制和生物学原理为理论支撑，面向语言认知和事物认知的不同应用场景，利用新型神经形态器件忆阻器作为神经元和突触，构建结构简单且高效的仿生忆阻神经网络，设计单模态、跨模态的类脑学习与记忆电路，实现类脑认知的多种功能，对仿生智能设备的研发和类脑智能的发展具有重要的研究意义与实际应用价值。本文的研究成果如下: (1)借鉴巴甫洛夫联想记忆实验的生物学原理和神经信息处理机制，结合第二语言习得的联想学习机制，以第一语言汉语和第二语言英语的两种词语文本信息，作为视觉单模态的两种不同刺激，构建简化的生物神经元结构和仿生忆阻神经网络，设计视觉单模态联想学习电路，该电路由突触模块、神经元模块和控制模块组成，实现学习、遮蔽、阻塞、长期遮蔽导致阻塞、遮蔽自发恢复和阻塞自发恢复等六种类脑经典条件反射功能。通过PSPICE仿真分析实验表明，所设计的仿生电路展现出不同语言刺激之间相互抑制的作用，为语言认知障碍的社交机器人或教育机器人等仿生智能设备提供了进一步的参考。 (2)借鉴果蝇联想记忆实验的生物学原理，根据果蝇相对简单的神经回路机制，结合视觉和嗅觉跨模态相互作用的现象，以图像刺激和气味刺激分别作为视觉模态刺激和嗅觉模态刺激，构建跨模态认知的仿生忆阻神经网络，设计视觉和嗅觉跨模态联想记忆电路，该电路由阈值模块、协同模块、突触模块和神经元模块组成，实现不同阈值的视觉单模态学习、不同阈值的嗅觉单模态学习、跨模态增强、跨模态促进和跨模态记忆传输等五种类脑认知功能。通过PSPICE仿真分析实验表明，所设计的电路呈现出跨模态之间协同、促进和传递的相互作用，为实现与生物大脑动态联想认知能力相当的类脑学习与记忆电路提供了新的思路。
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