German Title: Entwicklung einer Multi-Kompartiment-Neuronenmodel-Emulation

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Abstract

This work describes the design of an analog circuit emulating a multi-compartment neuron model on a microchip. Initially, the single-compartment adaptive exponential integrate-and-fire neuron model is implemented as a hardware model. Therefor, the differential equations describing the model dynamics are directly translated into an electronic circuit based on operational transconductance amplifiers. Consequently a close correspondence between model and circuit is achieved enabling references to experiments done with computer simulators. 512 of these neurons are implemented on a single micro-chip. Individual control of each neuron’s biases is achieved by the use of analog floating-gate memory. In most cases, these biases directly correspondent to parameters of the model, hence simple translations are possible. The single neuron implementation has been verified on a prototype chip in several experiments. Inter alia, its capabilities of reproducing biological neuron’s behavior and the influence of fixed-pattern noise on the circuit are analyzed. To step over to a multi-compartment circuit, the neuron has been enhanced by a resistive element and a routing network to build complex dendrite structures. Furthermore, the parameterization allows compartments of different sizes covering large somatic and small dendritic compartments. A dedicated test chip has been designed for the verification of the new model. Several simulations show the enhanced behavior of the multi-compartment emulation including dendritic attenuation and active spike propagation. The neuron circuits are dedicated for a new kind of computer based on the cortex.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt den Entwurf einer analogen Schaltung zur Emulation eines Multi-Kompartiment-Neuronenmodels auf einen Mikrochip. Zunächst beschränkt auf einzelne Kompartimente wird das Adaptive Exponential Integrate-and-Fire Neuronenmodell implementiert. Hierzu werden die Differentialgleichungen des Modells durch Transkonduktanzverstärker direkt in elektrische Schaltungen übersetzt. Folglich wird eine enge Korrespondenz zwischen Schaltung und Model erreicht, wodurch es möglich wird, Ergebnisse aus Computersimulationen als Referenzen zu verwenden. 512 dieser Schaltungen werden auf einem Chip integriert. Für jedes einzelne Neuron können Steuerspannungen und Ströme individuel durch analoge Floating-Gates konfiguriert werden. In der Regel sind die Schaltungsparameter in direkter Beziehung zu den Modellparametern. Durch Testchips wurde die Schaltung mit mehreren Experimenten verifiziert. Unter anderem wird das Reproduzieren spezieller Verhaltensmuster biologischer Neuronen gezeigt. Ferner wird das Verhalten bezüglich Produktionsschwankungen analysiert. Um eine Multi-Kompartiment-Emulation zu konstruieren, wird die Schaltung im Weiteren um ein resistives Element und ein Schaltnetzwerk erweitert. Dadurch wird es möglich komplexe Dendriten nachzubilden. Außerdem wird die Parametrisierung so erweitert, dass sowohl große Somakompartimente, als auch kleine Dendritenkompartimente nachgebildet werden können. Zur Verifikation wurde ein Testchip entworfen. Mehrere Simulationen zeigen das erweiterte Verhalten des Multi-Kompartiment-Models. So werden Dämpfung, sowie die Weiterleitung von Aktionspotentialen im Dendrit gezeigt. Die Neuronen wurden zur Integration in einen neuartigen Computer entworfen, dessen Funktion auf den Prinzipien des Gehirns basiert.