Spike Timing Dependent Plasticity-STDP

脈沖時序依賴可塑性是Hebb學習的時間不對稱形式，由突觸前后神經元脈沖緊密的時間相關性引起。Hebb學習提出如果兩個神經元常常一起活動，則二者的聯系會增強。

STDP則是進一步提出，兩個神經元之間的活動，如果其他神經元的信息在本次活動產生之前，則兩神經元之間的連接會增強。如果神經元本身產生活動之后才接受其他神經元傳來的信息，則兩神經元之間的連接會減弱。

也就意味著當突觸前脈沖先于突觸后脈沖到達時（pre-post spiking），能夠引起長時程增強（LTP）；當突觸后脈沖先于突觸前脈沖到達時（post-pre spiking），能夠引起長時程抑制（LTD）。

網上有另一個形象的例子就是：如果你每次跳完一段新疆舞后，就給狗食物吃，狗在看你跳舞時便會認為離吃食物不遠了而留口水；但是如果每次你在給狗吃東西之后才跳一段新疆舞，那么狗就會認為你有病，大倒胃口，“控制”流口水的神經元與傳遞你跳新疆舞的神經元之間的連接就被減弱啦。

以突觸前后動作電位的時間相關函數標定的突觸的變化稱為STDP函數或突觸類型的學習窗和變化。帶有脈沖相關時序性質的STDP函數的快速變化表明在毫秒尺度上進行時間編碼方案的可能。

在典型的STDP實驗中，突觸是通過注射短電流脈沖使突觸后神經元發射脈沖不久之前或之后，刺激突觸前神經元來激活的。突觸的權重是以突觸后神經元電勢的幅值來衡量。突觸權重的變化由突觸前脈沖的到達和突觸后的激發的相對時序的函數來表示。

值得注意的是，不同的突觸具有不同形式的STDP函數。和其他的突觸可塑性相比，STDP特別具有吸引力是因為它被認為是生物可解釋的。在生物的大腦中，動作電位經常非常精確的定時于外界的刺激，盡管并不是所有的腦區和細胞類型都是如此。

下面我想舉一個文獻中晶體管突觸模擬STDP的例子，在三端電控晶體管突觸中，柵電極一般作為施加電刺激的突觸前電極，源漏電極中間的溝道層可認為是突觸后膜，突觸信號通過溝道傳導，而傳導信號由突觸前電極進行調節。在這個過程中，信號的處理和傳輸是并行進行的，這與生物神經系統的信息處理相似，也是三端晶體管突觸的優勢之一。

摘取之前有一篇公眾號里面關于晶體管突觸STDP的測試結果如下：

有沒有看到這兩張圖會跟我有一樣的疑問：為什么模擬STDP居然要用到兩個晶體管突觸？這結果又是什么意思？激勵信號又是怎么加上去的？

我猜想用到兩個晶體管突觸來模擬STDP是因為這篇文章提出的單個晶體管突觸不能模擬STDP。作者將突觸前脈沖和突觸后脈沖定義為在第一和第二個突觸晶體管上所加的光刺激信號。具體的定義和計算如下：

通過上述公式，我們好像可以模仿著怎么去測試晶體管突觸的STDP特性，但是讓我們再仔細回憶下，這個STDP的結果和之前STDP的分析有什么關系呢？說到底這個STDP結果只論證了間隔時間對于權重的影響，但是時間的先后順序對于權重的抑制效果我沒看到呀（有人理解了可以私信跟我分享呀）。所以利用兩個晶體管整這么一出的意義到底在哪里？

話說回來其實我挺希望大家互相幫助一起學習的，就比如我還沒算對上一篇文章里的功耗，就沒有算對的小伙伴可以私信下我么？？？?。?！

已有一定基礎的高階學習者可以繼續參考（沒看懂）：Spike-timing dependent plasticity - Scholarpedia，中文翻譯版本：SNN系列｜學習算法篇(6)脈沖時序依賴可塑性STDP_Tianlong Lee的博客-CSDN博客_脈沖時間依賴可塑性

審核編輯：劉清