在仿神經晶片中引入星狀細胞之特性
仿神經晶片（neuromorphic chip）是近幾年人工智慧領域迅速竄起的新世代晶片，它實現的是脈衝式神經網路（spiking neural network, SNN），一般來說，晶片上的每一個功能單位就是一顆神經或是一個神經腔室（compartment），現今的主流設計多著重於實現一般神經元特性，而沒有考慮腦中其餘非神經元細胞對整體訊息傳遞之貢獻，如寡突細胞（ologodendrocyte）、星狀細胞（astrocyte）等一群我們統稱為神經膠細胞（glial cell）的類群，這類細胞根據過去文獻[1]估計在人類大腦中數量達神經細胞的十倍，而且近年許多研究開始認為神經膠細胞的功能不僅僅只是支持神經細胞，而在訊息傳導方面也扮演一定角色。
這篇由美國羅格斯大學計算腦科學實驗室（Computational Brain Lab）發表的論文預印本（preprint）指出，他們成功在Intel Loihi仿神經開發晶片上模擬出星狀細胞的部分功能。他們使用四個神經腔室組成一顆模擬星狀細胞，星狀細胞接收來自許多細胞的輸出，也同時刺激許多神經細胞，可視為一積分器，持續累積輸入訊號，超過閾值後一次輸出高強度刺激，類比真實星狀細胞在輸出端釋放鈣離子流的行為。這裡實現的行為有三大項：第一、神經群的同步，很直觀的，由於模擬星狀細胞能同時對一大群神經施予高強度刺激，因此能同步該群細胞的活動；第二、單樣本學習（single-shot learning），必須提到這邊所實現的另一項特性，星狀細胞促發異突觸抑制（astrocyte-driven heterosynaptic depression, HSD），星狀細胞會減弱所有下游神經突觸的連結，增強學習中的突觸與非學習突觸的對比，進而達成只要一次訓練即可形成記憶；第三、混沌狀態偵測（chaos detection），當整個神經迴路由穩定狀態轉變為混沌狀態，即網路失去有效訊息傳遞的狀態，即使網路的平均活動量並沒有太大的變化，也可由模擬星狀細胞自身的活動看出。
此研究是對於非神經細胞在仿神經晶片實現的一個嘗試，豐富了神經網路的動態，並且暗示仿神經晶片的未開發潛力。
撰文：姚皇宇
引用資料：
[1]Azevedo, F. A. C. et al. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology 513, 532–541 (2009).
原始文獻：
Tang, G., Polykretis, I. E., Ivanov, V. A., Shah, A. & Michmizos, K. P. Introducing Astrocytes on a Neuromorphic Processor: Synchronization, Local Plasticity and Edge of Chaos. arXiv:1907.01620 [cs, q-bio] (2019).
這篇由美國羅格斯大學計算腦科學實驗室（Computational Brain Lab）發表的論文預印本（preprint）指出，他們成功在Intel Loihi仿神經開發晶片上模擬出星狀細胞的部分功能。他們使用四個神經腔室組成一顆模擬星狀細胞，星狀細胞接收來自許多細胞的輸出，也同時刺激許多神經細胞，可視為一積分器，持續累積輸入訊號，超過閾值後一次輸出高強度刺激，類比真實星狀細胞在輸出端釋放鈣離子流的行為。這裡實現的行為有三大項：第一、神經群的同步，很直觀的，由於模擬星狀細胞能同時對一大群神經施予高強度刺激，因此能同步該群細胞的活動；第二、單樣本學習（single-shot learning），必須提到這邊所實現的另一項特性，星狀細胞促發異突觸抑制（astrocyte-driven heterosynaptic depression, HSD），星狀細胞會減弱所有下游神經突觸的連結，增強學習中的突觸與非學習突觸的對比，進而達成只要一次訓練即可形成記憶；第三、混沌狀態偵測（chaos detection），當整個神經迴路由穩定狀態轉變為混沌狀態，即網路失去有效訊息傳遞的狀態，即使網路的平均活動量並沒有太大的變化，也可由模擬星狀細胞自身的活動看出。
此研究是對於非神經細胞在仿神經晶片實現的一個嘗試，豐富了神經網路的動態，並且暗示仿神經晶片的未開發潛力。
撰文：姚皇宇
引用資料：
[1]Azevedo, F. A. C. et al. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology 513, 532–541 (2009).
原始文獻：
Tang, G., Polykretis, I. E., Ivanov, V. A., Shah, A. & Michmizos, K. P. Introducing Astrocytes on a Neuromorphic Processor: Synchronization, Local Plasticity and Edge of Chaos. arXiv:1907.01620 [cs, q-bio] (2019).
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