客户成果丨南京航空航天大学《iScience》：基于忆阻器电路的桥接人工神经元实现尖峰传播和同步检测

生物神经系统处理信息，靠的是对时间的精细把握：一个尖峰（spike）不仅要能“发出来”，更要能沿着轴突按顺序传播，并在极短时间窗内完成“同步检测”（coincidence detection）。但在现有人工神经元研究中，很多器件更像“单点放电器”，难以稳定复现生物神经元那种时序传播的关键特性，这也限制了时间编码相关应用的发展。

为解决这一挑战，南京航空航天大学国际前沿科学研究院李基东副研究员团队提出一种结构简洁、可模块化扩展的桥接人工神经元（BAN, bridged artificial neuron），并基于它构建尖峰传播链路，实现同步检测与仿生听觉定位。该工作以“Bridged Artificial Neurons Based on Memristor Circuit for Spiking Propagation Network and Coincidence Detection”为题，发表于《iScience》。

BAN 单元由两条主要放电通道组成，分别类比生物神经元的钠、钾离子通道，并通过电容耦合。每条通道基于阈值开关特性的忆阻器电路，从而实现达到阈值才触发、触发后快速恢复的尖峰发放行为，并呈现类似生物神经元的不应期。

图1. BAN单元的仿生结构（A-B）、忆阻特性（C-D）及尖峰发放（E-F）。

更进一步，研究团队将多个BAN单元串联桥接（通过电容耦合），构建“人工轴突/延迟线”，实现尖峰信号在链路中的稳定、单向传播，而传播延迟可随级联逐步累积。并展示了T型网络结构，让一个输入尖峰在分叉后到达两个输出端仍能保持信号完整性，说明 BAN 结构具有良好的模块化与可拓扑扩展潜力，为搭建更复杂拓扑网络提供基础。

图2. 用于不应期行为（A-D）、尖峰单向传播（F-G）以及单输入双输出（H-I）的BAN网络。

团队搭建了双输入—单输出结构实现同步检测：只有当两路输入尖峰的时间差小于某个临界阈值，输出端才能完成有效时间整合并触发尖峰，时间差一旦超过窗口，输出就不会被激发。这一时间敏感性正是生物同步检测的核心。通过调节桥接电容与负载电阻，可改变输入权重与整合时间窗大小，从而获得所需的同步检测灵敏度。

图3. BAN同步检测器网络（A-C）与时间敏感性（D-F）。

研究团队进一步借鉴仓鸮的听觉定位机制，基于同步检测与延迟线原理，设计了仿生听觉处理系统。其核心是利用声音到达双耳的时间差，通过延迟线补偿传播差异，使同步信号激活对应同步检测器，从而将时间差信息转化为空间位置信息，实现对水平方向声源的定位。即便在噪声环境中，该系统仍能保持稳定的方向识别能力，抗干扰表现突出。

图4. 基于ITD的声源定位仿生 BAN 网络（A-B）与功能演示（C）。

本研究提出的基于忆阻器仿真器电路的桥接人工神经元单元，可有效模拟脉冲生成和不应期等关键的神经元行为。该单元具有简单的模块化结构，可用于构建稳定的尖峰传播网络，实现可靠单向信号传输。尖峰传播网络成功实现了同步检测，并通过在仿生听觉系统中的应用验证了其强大的抗噪声能力。团队也探索了用集成忆阻器器件实现 BAN 的可行性，为构建更大规模的时间编码神经形态网络与仿生感知系统提供了新的电路实现路径。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了用于集成忆阻器器件的制备工作。本研究得到国家自然科学基金资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.114294