学位论文简介

神经网络作为人工智能的重要方向，在智能感知、信息处理与自主决策中具有广阔前景，但传统冯·诺依曼架构在功耗、并行性与实时性方面存在瓶颈。神经形态计算通过模拟类脑结构与机制提供了新范式，其中忆阻器凭借非易失性、非线性及类突触特性，在硬件实现与动力学建模中展现出独特优势。围绕高仿生建模、可塑性调控及复杂放电行为对网络性能的影响，本文开展了系统研究：

(1) 提出基于忆阻器的高仿生神经元电路系统（MNCS），以HH模型为理论基础对多种离子通道进行电路级建模，实现参数可调与动力学重构。经仿真与实验验证，系统可稳定复现规则放电、簇放电、适应性放电等24种典型放电行为，并在噪声条件下保持良好统计一致性与鲁棒性。

(2) 针对髓鞘机制被忽略的问题，构建自适应生长神经元模型及单髓鞘仿生电路，实现随放电次数自调阈值与频率；进一步提出多髓鞘启发的可调延时方法，显著拓展延时调控范围与精度，为时序学习与自主控制提供支持。

(3) 针对突触可塑性与髓鞘可塑性多被独立研究的问题，提出融合双重可塑性的神经元模型及电路实现方案，建立统一的性能量化框架，从响应时间、单位脉冲能耗与放电频率等指标系统评估协同效应。结果表明协同机制可将响应时间缩短至2.9%，单脉冲能耗降至38.4%，放电频率提升至1982.6%，显著优化节点性能。

(4) 构建兼具规则与簇放电能力的神经元模型并嵌入4×3 MLP网络，分析簇放电对局部网络动力学的影响。实验表明，簇放电可增强输出时间多样性、降低相关性并延长刺激保持时间，提高网络对瞬态输入的响应能力，为提升神经形态网络的信息编码与局部调控能力提供理论依据。

主要学术成果

[1] Xiaosong Li, Jingru Sun, Yichuang Sun, Chunhua Wang, Qinghui Hong, Sichun Du, Jiliang Zhang. Design of artificial neurons of memristive neuromorphic networks based on biological neural dynamics and structures [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2024, 71(5): 2320–2333. (IF = 5.3, 中科院一区, TOP)

[2] Xiaosong Li, Jingru Sun, Yichuang Sun, Chunhua Wang, Jiliang Zhang. Adaptive biomimetic neuronal circuit system based on myelin sheath function [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2024, 70(1): 3669–3679. (IF = 8.6, 中科院二区)

[3] Xiaosong Li, Jingru Sun, Yichuang Sun, Jiliang Zhang. A power-adaptive neuron model and circuit implementation [J]. Nonlinear Dynamics, 2025, 113(4): 3763–3780. (IF = 5.4, 中科院二区)

[4] Xiaosong Li, Jingru Sun, Yichuang Sun, Jiliang Zhang. Synaptic and myelin plasticity and their synergistic effects in neuromorphic networks [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2025, 72(12): 8028–8041. (IF = 5.3, 中科院二区, TOP)

[5] Jingru Sun J, Xiaosong Li, Yichuang Sun, Zining Xiong, Jiqi He. An artificial synapse capable of regulating signal transmission speed in a neuromorphic network [J]. Chinese Physics B, 2026, 35(1): 010501. (IF = 1.5, 中科院三区)

[6] Xiaosong Li, Jingru Sun, Yichuang Sun. Investigating the impact of bursting neurons on the local performance of neuromorphic networks [J]. Nonlinear Dynamics. (IF = 5.4, 中科院二区, 已录用)

[7] Xiaosong Li, Jingru Sun, Yichuang Sun, Jiliang Zhang. Adaptive biomimetic neuron circuit for enhancing signal response speed in robotics control systems [J]. IEEE Transactions on Cognitive and Developmental Systems. 审稿中.(中科院三区)

[8] Xiaosong Li, Jingru Sun, Yichuang Sun. Bio-inspired myelination mechanisms for tunable temporal delays in neuromorphic networks [J]. Neurocomputing. 审稿中.(中科院二区)

[9] 孙晶茹, 李晓崧,马文静. 一种基于HH模型设计的T型和P型忆阻神经元 电路: 中国发明专利,ZL202310691470.6,2023-06-12.(授权)

[10] 孙晶茹, 李晓崧. 一种基于FH模型设计延迟神经元电路: 中国发明专利, 202511590345.1（专利申请号）.(实审)