УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА Российский патент 1997 года по МПК G06G7/60 

Изобретение относится к области бионики и биокибернетики и может быть использовано в модельных нейрофизиологических экспериментах, а также в устройствах управления и системах искусственного интеллекта
Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки моделирования возбуждающих и тормозящих сигналов, состоящие из последовательно соединенных буферных каскадов, элементов задержки и масштабирующих резистивных элементов, выходы которых являются выходами блоков моделирования синапсов и соединены с входами аддитивного сумматора; блок моделирования вызванных постсинаптических потенциалов, элемент сравнения, блок задания порога и формирователь импульсов.

Недостатком известного устройства является низкая точность моделирования в связи с невозможностью воспроизведения реакции выработки условного подавления спайковых ответов, свойственной реальным нейронам.

Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее последовательно соединенные формирователи входных сигналов, преобразователи частоты в напряжение и блоки задания весовых коэффициентов, выходы которых соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом функционального преобразователя, выход которого соединен с входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом первого триггера и с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с входом первого триггера, а выход соединен с первым входом накопителя, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом блока задания порога, второй выход которого соединен с вторым входом накопителя, выход второго сумматора соединен с вторым входом функционального преобразователя, входы формирователей входных сигналов являются входами устройства, выходом устройства является выход преобразователя напряжения в частоту, вход которого соединен с выходом функционального преобразователя.

Известное устройство позволяет моделировать процессы условной выработки реакции подавления второй серии спайковой активности после предъявления стимула, вызывающего первую серию спайков. Однако в реальном нейроне указанный эффект наблюдается лишь при длительности паузы между этими двумя стимулами не более 2000 мс, при увеличении времени паузы выработка условного рефлекса на подавление спайков отсутствует. Этого не позволяет воспроизводить известное устройство, в связи с чем обладает низкой точностью.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности моделирования за счет ограничения действия эффекта условной выработки реакции подавления спайков на первый стимул в паре по величине времени паузы между этими стимулами.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены второй и третий компараторы, второй и третий триггеры, второй элемент И, интегратор, причем вход второго компаратора соединен с выходом функционального преобразователя, а выход соединен с входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым входом интегратора, выход которого соединен с первым входом третьего компаратора, а второй вход интегратора соединен с вторым выходом блока задания порога и с вторым входом третьего компаратора, выход которого соединен с первым входом третьего триггера, выход которого соединен с вторым входом первого триггера, первый вход которого соединен с вторым входом третьего триггера, второй вход второго элемента И соединен с выходом первого триггера.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для моделирования нейрона, на фиг. 2 временная диаграмма его функционирования.

Устройство для моделирования нейрона (фиг. 1) содержит последовательно соединенные формирователи 1 входных сигналов, входы которых являются синаптическими входами устройства, преобразователи 2 частоты в напряжение, блоки 3 задания весовых коэффициентов, выходы которых соединены с входами первого сумматора 4; функциональный преобразователь 5 с управляемым порогом, вход которого соединен с выходом сумматора 4; преобразователь частоты в напряжение; второй сумматор 7; блок задания порога 8; накопитель 9, первый компаратор 10, первый триггер 11, первый элемент И 12, второй компаратор 13, второй триггер 14, второй элемент И 15, интегратор 16, третий компаратор 17, третий RS-триггер 18, причем выход преобразователя 6 является выходом устройства, а вход блока 6 объединен с входом второго компаратора 13 и первого компаратора 10, выходы компараторов 10 и 13 соединены с первыми счетными входами триггеров 11 и 14 соответственно, выход компаратора 10 соединен также с первым входом первого элемента И 12, второй вход которого соединен с выходом первого триггера 11 и вторым входом второго элемента 15, первый вход которого соединен с выходом второго триггера 14, выход элемента 15 соединен с первым управляющим входом интегратора, второй информационный вход которого соединен с вторым входом третьего компаратора 17 и вторым выходом блока 8, второй выход которого соединен с вторым инверсным входом накопителя 9, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом элемента 12, а выход накопителя 9 подключен к первому неинвертирующему входу сумматора 7, к второму инвертирующему входу которого подключен первый выход блока задания порога 8, выход сумматора 7 соединен с вторым управляющим входом преобразователя 5, выход интегратора 16 соединен с первым входом компаратора 17, выход которого включен на первый S-вход триггера 18, выход компаратора 10 соединен с вторым R-входом триггера 18, а его выход с вторым входом обновления триггера 11.

Устройство для моделирования нейрона (фиг. 1) работает следующим образом.

Входные спайковые последовательности поступают на входы формирователя 1 входных сигналов, где происходит их стандартизация по амплитуде и длительности, и поступают на преобразователи 2 частоты в напряжение, и напряжения с их выходов, пропорциональные частотам спайковых последовательностей, подаются на блоки 3 задания весовых коэффициентов, где масштабируются по амплитуде в соответствии с весом синаптического контакта и знаком в зависимости от его типа. Далее эти сигналы поступают на первый сумматор 4, где происходит их алгебраическое суммирование, и при повышении суммарным сигналом порога функционального преобразователя 5 преобразователь 6 напряжения в частоту генерирует импульсную последовательность, частота которой пропорциональна этому суммарному напряжению. При этом порог преобразователя 5 соответствует начальному, установлен с выхода второго сумматора 7 и определяется блоком 8 задания порога, напряжение с первого выхода которого поступает на второй инвертирующий вход сумматора 7, а на первом неинвертирующем его входе напряжение равно нулю в исходном состоянии накопителя 9. При окончании стимуляции и прекращении генерации спайков в момент равенства нулю напряжения с выхода функционального преобразователя происходит генерация короткого прямоугольного импульса компаратором 10 и задним фронтом этого импульса переключается триггер 11 в состояние единицы. Если при этом следует новая стимуляция и нейрон генерирует пачку импульсов с выхода преобразователя 6, по прекращении стимуляции (см. фиг. 2) снова происходит генерация импульса с выхода компаратора 10, который поступает вместе с импульсом с выхода триггера 11, переводя его одновременно своим задним фронтом в состояние нуля, на элемент И 12, на выходе которого наблюдается импульс, аналогичный импульсу с выхода компаратора 10. Таким образом, импульс компаратора 10 проходит через элемент 12 только тогда, когда триггер 11 находится в состоянии единицы и возникает по прекращении каждой серии второй стимуляции. Поступая на вход накопителя 9, он заражает его конденсатор до постоянной величины и производит суммирование этого напряжения с остаточным напряжением на накопительном конденсаторе от предыдущей пары серий стимуляции. Это напряжение с выхода накопителя 9 поступает на первый вход сумматора 7, вычитаясь в нем из начального напряжения порога, определяет возбудимость устройства, снижая ее и осуществляя тем самым условное подавление спайковой активности. Условным стимулом в этом случае является первая серия стимуляции из каждой пары. При увеличении паузы между парами стимуляции конденсатор накопителя 9 разряжается саморазрядом и накопление напряжения на нем, повышающее величину порога, зануляется либо отсутствует совсем. Однако в этом случае (в устройстве прототипе) подавление спайков происходит независимо от величины паузы между стимуляциями в паре (промежуток AB, фиг. 2) и наблюдается при любой величине паузы, что является грубым упрощением работы нейрона.

В предлагаемом устройстве сигнал с выхода функционального преобразователя 5 поступает также на вход компаратора 13, срабатывающего на передний фронт напряжения, и импульс с его выхода передним фронтом переключает триггер 14 из исходного нулевого состояния в единицу. Это напряжение с выхода триггера 14 поступает на первый вход элемента И 15, на второй вход которого подается сигнал с выхода триггера 11. На выходе элемента 15 формируется сигнал единицы только в случае единичных сигналов на выходах триггеров 11 и 14 (фиг. 2). Во время действия этого сигнала и происходит интегрирование интегратором 16 с большой постоянной времени опорного напряжения, поступающего на второй вход интегратора 16 с второго выхода блока задания порога 8. Напряжение с выхода интегратора 16 является линейно нарастающим и подается на первый вход компаратора 18, где происходит его сравнение с опорным напряжением, поступающим по второму входу компаратора 17 со второго выхода блока 8.

В случае, если пауза AB между стимулами в паре не превышает 2000 мс, то напряжение с выхода интегратора 16 не успевает достичь величины опорного напряжения (фиг. 2) и устройство работает аналогично прототипу. Если же пауза AB превышает 2000 мс, компаратор 17 в момент сравнения напряжений, поступающих на его входы, вырабатывает импульс, поступающий на первый S-вход RS-триггера 18 и устанавливает его в состояние единицы, в результате чего этот сигнал с его выхода поступает на второй R-вход триггера 11 и переводит его в состояние нуля. При этом при поступлении импульса с компаратора 10 по окончании второго стимула в этой паре (с паузой AB, превышающей 2000 мс) на элемент 12 прохождение его через элемент 12 не происходит, т.к. на втором входе элемента 12 присутствует сигнал нуля с переключившегося триггера 11 под действием единицы с триггера 18. В связи с этим напряжение на накопителе 9 остается равным остаточному напряжению от предыдущих пар стимулов, если промежуток AB в этих парах не превысил 2000 мс. Таким образом, в этом случае увеличение напряжения на накопителе 9, а следовательно, и возрастание порога нейрона не происходит, т.к. эффект подавления спайков отсутствует.

На задний фронт второго стимула из пары, для которой Т_AB 2000 мс, вырабатывается импульс компаратора 10, который задним фронтом устанавливает триггер 18 по второму R- входу в состояние нуля. При этом переход триггера 11 под действием импульса с выхода компаратора 10 снова в состояние единицы не происходит и устройство приходит в исходное состояние. Поступление импульсов с выхода компаратора 10 на S-вход триггера 11 не меняет его состояния, когда триггер находится в состоянии нуля.

Компаратор 13 выполнен с динамическим входом, элемент И 12, второй 14 и третий 18 триггеры стандартные.

Блок задания порога представляет собой источник опорного напряжения на два значения стабилизированных напряжений по двум выходам.

Предлагаемое устройство позволяет ввести ограничение на действие эффекта условного подавления спайков в зависимости от величины интервала между условным (первым в паре) и безусловным (вторым в паре) стимулами, что значительно повышает точность устройства в силу большой реалистичности его работы; повысить функциональность и гибкость устройства за счет воспроизведения большого числа реакций благодаря введению дополнительных элементов, соединенных предложенным образом; значительно увеличить эффективность технических систем с применением данного устройства за счет повышения точности моделирования и большого приближения к качеству биологического аналога.

Изобретение относится к области бионики и биокибернетики и может быть использовано в модельных нейрофизиологических экспериментах, а также в устройствах и системах искусственного интеллекта и управления. Сущность: в случае если пауза между двумя стимулами превышает 2000 мс, компаратор 18 вырабатывает импульс, устанавливающий триггер 19 в состояние единицы, который в результате этого переводит триггер 11 в нулевое состояние до снятия единицы с триггера 19 импульсом с выхода компаратора 10. Этот импульс с выхода компаратора 10, вырабатываемый после второго стимула в паре, в результате установки триггера 11 в ноль, не проходит через элемент 12, т.к. на его втором входе присутствует в этот момент сигнал нуля с выхода триггера 11. В связи с этим подзаряд накопителя 9 не происходит и напряжение на нем сохраняется от предыдущих пар стимулов, если промежуток в них не превышает 2000 мс. Возрастание порога не происходит, т.е. эффект подавления спайков в этом случае отсутствует, что более точно соответствует реальному нейрону, в котором эффект условного подавления спайков дифференцирован по отношению к величине интервала между стимулами. 2 ил.

Устройство для моделирования нейрона, содержащее последовательно соединенные формирователи входных сигналов, преобразователи частоты в напряжение и блоки задания весовых коэффициентов, выходы которых соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом функционального преобразователя, выход которого соединен с входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом первого триггера и с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход с первым входом накопителя, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом блока задания порога, второй выход которого соединен с вторым входом накопителя, выход второго сумматора соединен с вторым входом функционального преобразователя, входы формирователей входных сигналов являются входами устройства, выходом устройства является выход преобразователя напряжения в частоту, вход которого соединен с выходом функционального преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования путем приближения к качеству биологического аналога, в него введены второй и третий компараторы, второй и третий триггеры, второй элемент И, интегратор, причем вход второго компаратора соединен с выходом функционального преобразователя, а выход соединен с входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым входом интегратора, выход которого соединен с первым входом третьего компаратора, а второй вход интегратора соединен с вторым выходом блока задания порога и с вторым входом третьего компаратора, выход которого соединен с первым входом третьего триггера, выход которого соединен с вторым входом первого триггера, первый вход которого соединен с вторым входом третьего триггера, второй вход второго элемента И соединен с выходом первого триггера.