Memristive devices are popular among neuromorphic engineers for their ability to emulate forms of spike-driven synaptic plasticity by applying specific voltage and current waveforms at their two terminals. In this paper, we investigate spike-timing dependent plasticity (STDP) with a single pairing of one presynaptic voltage spike and one postsynaptic voltage spike in a BiFeO3 memristive device. In most memristive materials the learning window is primarily a function of the material characteristics and not of the applied waveform. In contrast, we show that the analog resistive switching of the developed artificial synapses allows to adjust the learning time constant of the STDP function from 25ms to 125μs via the duration of applied voltage spikes. Also, as the induced weight change may degrade, we investigate the remanence of the resistance change for several hours after analog resistive switching, thus emulating the processes expected in biological synapses. As the power consumption is a major constraint in neuromorphic circuits, we show methods to reduce the consumed energy per setting pulse to only 4.5 pJ in the developed artificial synapses.

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Das Gesangssystem der Vögel hat sich als ein hervorragendes Modellsystem erwiesen, um Fragen zu Mechanismen entwicklungsbedingter neuronaler Plastizität von Lernprozessen zu erarbeiten. Bei Singvögeln haben sich im Laufe der Phylogenese neuronale Zentren entwickelt, die sich auf das Gesangslernen und die Gesangsproduktion spezialisiert haben. Zebrafinkenmännchen, wie viele andere Singvögel auch, erlernen ihren Gesang, indem sie von einem Tutor ihr artspezifisches Gesangsmuster schon in früher Jugend im Gedächtnis abspeichern und dann ganz allmählich ihr eigenes Vokalisationsmuster über auditorische Rückkopplung an das im Gehirn abgespeicherte Muster angleichen. Parallel zu diesen Verhaltensänderungen, finden auch auf neuronaler Ebene zahlreiche Veränderungen in den Gesangskernen statt, die in der hier vorliegenden Arbeit detailliert untersucht wurden, indem Zebrafinken zum einen mit einem Gesangstutor aufwuchsen oder ohne ein Gesangsvorbild. Die Folgen dieser unterschiedlichen Aufzuchtsbedingungen wurden dann im Gesang und in den neuronalen Strukturen der Gesangskerne mit einer Vielzahl von Techniken analysiert, einschließlich der Golgi-Technik, Elektronenmikroskopie, Immunhistochemie, verschiedener neuronaler Tracersubstanzen und quantitativer Stereologie, sowie intrazellulärer Ableitungen am in vitro Hirnschnittpräparat. Die Daten zeigen u.a., dass dendritische Spines an der Gedächtnisbildung für Gesang maßgeblich beteiligt sind und zwar in einer Vorderhirnregion, der eine wichtige Rolle bei frühen sensorischen Lernprozessen zukommt, dem lateralen magnocellularen Nucleus des anterioren Nidopalliums (LMAN). Zebrafinkenweibchen singen nicht und haben weitaus kleinere Gesangskerne als die Männchen. Zebrafinkenweibchen, die nie einen artspezifischen Gesang hören, weisen im Vergleich zu denen, die mit einem solchen aufgewachsen sind, signifikante Unterschiede in der neuronalen Struktur im Nucleus robustus arcopallii (RA) auf. Diese Befunde zeigen, dass die Gesangskerne bei Weibchen trotz ihrer kleineren Größe dennoch eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung eines artspezifischen Gesangsmusters spielen. Man beachte, dass die Nomenklatur des Vogelgehirns 2004 revidiert wurde (Reiner et al, J Comp Neurol 473:377-414, 2004; http://avianbrain.org/papers/RevisedNomenclature.pdf). / The song system of birds has been used extensively as a model system for studying basic mechanisms of neuronal plasticity and development underlying a learned behavior. Discrete sets of interconnected nuclei in the avian brain have evolved and are a prerequisite for song learning processes and the production of song. Zebra finch males, like many other song birds, learn their song by memorizing a tutor song model early in life and then gradually matching their vocal output by auditory feedback to the stored memory of that tutor song. In parallel to these behavioural changes, various changes in neuronal structures of song system nuclei take place. These structural correlates of song learning processes have been investigated in great detail in the current research by raising zebra finches with and without a song tutor model and then studying the consequences for song and for neuronal structure in the song system by using a variety of techniques including Golgi-technique, electron microscopy, immunohistochemistry, various neuronal tracer and quantitative stereology, intracellular recordings in the in vitro slice preparation and analyzing sonograms at the behavioral approach. There is strong evidence that, among other findings, dendritic spines are very much involved in memory formation of song in the lateral magnocellular nucleus of the anterior nidopallium (LMAN), a forebrain region particularly involved in sensory learning processes early in life. Female zebra finches do not sing and have much smaller song nuclei than males. Rearing females either with being exposed to species-specific song early in life or deprived of hearing song, exhibit significant differences in neuronal structure particularly in nucleus robustus arcopallii (RA). These data give further evidence that, despite their smaller sizes, song system nuclei in female birds do play an important role in memorization of song. Please note that in 2004 the nomenclature of the avian brain has been revised (Reiner et al, J Comp Neurol 473:377-414, 2004; http://avianbrain.org/papers/RevisedNomenclature.pdf).

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