Устройство для моделирования нейронных ансамблей Советский патент 1983 года по МПК G06G7/60 

Изобретение относится к моделированию самоорганизующихся процессов в центральной нервной системе и предназначено для теоретических исследований в области самоорганиза ции нейронных сетей, в частности для проверки гипотезы о возможности самоорганизации некоторого конечног множества псевдослучайных процессов в сложный, но предсказуемый в общих чертах процесс. Предполагается, что при множестве N элементарных процессов (вариабильности активности нейронных элементов, входящих в сеть создается множество М процессов промежуточной сложности (случайные и псевдослучай ные соединения нейронов в сеть ), ко торые дают множество конечных процессов п , при этом должно быть соотношен.ие N М п , т.е. один какой-то конечный п результат, входйщий в множество и , может включать в себя один из нескольких возможных промежуточных процессов. Если это так, то процесс самоорганизации можно рассматривать как процесс неизбежный или во всяком случае процесс, наступающий с большой вероятностью. В этом случае моделирование систем искусственного интеллекта должно развиваться по пути создания условий для самоорганизации искусственных нейронных сетей без жесткого их моделирования В противоположном случае, если п 7, М, представляется необходимость моделировать все промежуточные этапы переработки информации, причем соединения в таких сетях будут носить определенный жесткий характер. Однозначно ответить на эт вопросы пока нельзя, и так как сложность моделирования таких процессов лежит за пределами возможнос тей математического аппарата и ЭВМ, представляется рациональным создание специальных физических моделей, структура которых позволяет проводить моделирование и получить -искемый ответ. Устройство, кроме того, может найти применение как перестраиваемы генератор набора множеств псевдослучайных .дискретных величин, который может быть использован в качест ве устройства, моделирующего внешние возмущающие воздействия на адапативные системы, в частности модел нейронных сетей, для изучения процессов адаптации, их прочности и пластичности в условиях, максимально приближающихся к реальным. Устройство может также найти при менение в психологических экспериментах для создания игровых ситуаци решение которых требует не только логического, но также и интуитивного мышления. Известно устройство, содержащее сеть нейронных элементов, ритмы выходной последовательности которой представляют собой интеграцию ритмов входящих в сеть нейронных элементов 1 . Недостатком указанного устройства является детерминации конечной периодичности ритмов. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования нейронных ансамблей, содержащее блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, и блок ввода, выходы которого соединены с первой группой информационных входов первого коммутатора, выходы которого подключены к соответствующим входам нейтроноподобных элементов, выходы которых соединены с первой группой входов блока регистрации. Кроме того, устройство содержит распределитель, наборное поле, генератор и дешифратор связи 2. Недостатком известного устройства является деформированность сети, что снижает функциональные возможности моделируемого нейронного ансамбля . Цель изобретения - увеличение точности моделирования за с.чет возможности образования псевдослучайных связей в ходе функционирования сети. Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, и блок ввода, выходы которого соединены с Первой группой информационных входов первого коммутатора, выходы которого подклГЧены . к соответствующим входам нейроподобных элементов, выходы которых соединены с первой группой входов блока регистрации, введены второй, третий и четвертыйкоммутаторы, блок индикации и блок сумматоров, выходы которогоподключены к второй группе входов блока регистрации, выходы нейроподобных элементов соответственно соединены с входами блока сумматоров и с информационными входами второго коммутатора, первая группа выходовкоторого подключена к первой группе информационных входов третьего коммутатора, выходы которого соединены с второй группой информационных входов первого коммутатора, вторая группа выходов второго коммутатора подключена к информационным входам четвертого комммутатора, первая группа выходов которого со.единена с второй группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа информационных входов четвертого коммутатора подключена к входам блока индикации.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для моделирования нейронных ансамблей; на фиг, 2 функциональная схема нейроноподобного элемента; на фиг. 3 - структурная схема четвертого коммутатора на фиг. 4 - функциональная схема одной ячейки четвертого коммутатора на фиг. 5 - функциональная схема рлока сумматоров.

Устройство для моделирования нейронных ансамблей (фиг. I) содержит блок 1 моделирования нейронов, соетоящий из нейроноподобных элементов 2, первого, второго, третьего и четвертого коммутаторов 3-6, блок 7 индикации, блок 8 ввода, блок 9 сумматоров и блок 10 регистрации.

В качестве нейроноподобного элемента 2 в устройстве использована модель пейсмекерного нейрона 3}.

Нейроноподобный элемент 2 (фиг. содержит .источник 11 постоянного напряжения, выходы которого подключены к первым входам первого суммаТора 12, второго сумматора 13, первого управляемого интегратора 14 и второго управляемого интегратора 15, первый 16 и второй 17 блоки ора нения, ключ 18 и элемент 19 задержки. Входы сумматоров 12 и 13 и управляемых интеграторов 14 и 15, не подключенные к выходу источника 11 напряжения служат информационным входами и через коммутаторы 3-6 (фиг. 1 ) подключены к выходам других элементов 2.

Коммутаторы 3-5 в простейшем случае представляют ручные переключатели.

Коммутатор 6 (фиг. 3) содержит Е ячеек 20 коммутации (фиг. 4, каждая из которьох содержит схему 21 сравнения, входы которой также произвольно через коммутатор 4 подключены к выходам соответственно каких-то двух нейроноподобных элементов 2. Выход схемы 21 сравнения через первый диодный элемент 22 подключен к управляющим входам первой группы ключей 24, входы которых подключены произвольно через коммутатор 3 к выходам нейроноподобных элементов 2 блока 1. Выход каждого ключа 24 подключен к соответствуютему входу блока 7 и входу коммутатора 5. Через коммутаторы 5 и 3 выход ключа 24 может подключаться произвольно к входам элементов 2 блока 1. Через второй диодный элемент 23 выход схемы сравнения подключен к управляющим входам второй группы ключей 25, соединение которых в устройстве аналогично соединению первой группы. .

Блок 7 индикации - это набор светодиодных элементов, блок 8 ввода в простейшем случае - набор регулируемых источников напряжения.

Блок 9 сумматоров (фиг. 5 содержит сумматоры 26 и ключи 27 руч.ного управления.

Устройство работает следующим образом.

В отличие от известных устройств моделирующих нейронные ансамбли, в которых принципиально прослеживается зависимость выходных сигналов от сигналов на входах, предлагаемое устройство построено на принципе, заключающимся в большой степени неопределенности, образующейся в процессе его работы за счет внутренних связей, при этом степень неопределенности может регулироваться путем произвольного распределения через коммутатор 4 выходов нейронных элементов между входами коммутаторов 5 и 6. Максимум неопределенности . достигается путем подключения всех выходпв элементов 2 к входам коммутатора 6, минимум - путем исключения коммутатора 6 из работы. В связ с этим устройство может работать в нескольких режимах: в режиме простр генерации псевдослучайных последовательностей на выходах элементов 2 при исключении коммутатора 6 из работы, в режиме образования случайных коммутаций с возрастанием неопределенности последовательностей на выходах элементов 2, при этом возможно образование некоторого множества подобных режимов, отличающихся друг от друга степенью неопределенности (степенью участия в работе коммутатора 6 ); в режимах активного воздействия на работу устройства путем включения в работу блока 8. При включении в. работу блока 8 (при участии человека или группы людей) возможны различные игровые ситуации (психофизические эксперименты Л задача которых заключается в уменьшении неопределенности работы устройства путем активного воздействия. .

В основе работы устройства лежит работа модели пейсмекерного нейрона 2 блока 1 (фиг. 1 и 2.

Пейсмекерный нейронный элемент работает следующим образом.

С источника. 11 на первые входы сумматоров 12 и 13 и на первые входы управляемых интеграторов 14 и 15 поступает напряжение. Напряжение ио источника 11 определяет напряжение (Ujj выхода сумматора 12. и U2 UQ - напряжение выхода сумматора 13, где а и Ъ - соответственно веса первых входов сумматоров 12 и 13. Напряжение с выхода сумматора 12 через ключ 18, нормальное положение которого открытое, поступает на первый вход блока 16 сравне ния и определяет пороговое напряжение Uj си, где С - вес второго хода блока 16 сравнения, В управляе мом интеграторе 14 происходит интегрирование напряжения по времени и --i- fu - постоянная интегратора - 14 по данному входу. В момент, когда напряжение на вы ходе интегратора 14, учитывая вес первого входа блока 16 сравнения, сравняется с пороговым напряжением на выходе блока сравнения, образует ся напряжение, которое открывает доступ напряжения интегратора 14 на выход нейтронного элемента и одновременно поступает на управляющий вход ключа 18 и закрывает его на первый управляющий вход управляе мого интегратора 14, вследствие чег в последнем запоминается мгновенное значение напряжения в момент достижения им порогового значения, а порог элемента 2 вследствие закрыти ключа 18 принимает нулевое значение Смысл нулевого значения порогового напряжения заключается в том, чтобы меняющееся-напряжение на входах сумматора 12 не влияло на величину пейсмекерного потенциала во время его генерации. Время существования пейсмекерного потенциала определяется работой управляемого интегратора 14 и напряжением на выходе сум .матора 13. Напряжение с выхода интегратора 14 через элемент 19 задержки поступает на управляющий вход интегратора 1 и включает его в рабо ту. В интеграторе 15 напряжение, поступающее на его первый вход, интегрируется во времени и поступает на первый вход второго блока 17 сра нения. В момент, когда это напряй ениесравняется с напряжением первого вход блока 17 сравнения (учитывая соотно шение весов входов блока 17 сравнения , на его выходе образуется напряжение, которое поступает на второй управляющий вход первого управляемого интегратора 14 и срывает его работу. Время от начала работы интегратора 15 до срыва работы интегратора 14 зависит от напряжения на выходе сумматора 13. Срыв работы интегратора 14 приводит к срыву работы интегратора 15, исчезновенйю напряжения на выходе блока 16 сравнения, восстановлению пороговог напряжения вследствие открытия ключ 18 и включению в работу интегратора 14 из-за исчезновения напряжения на его первом и втором управляющих входах. С этого момента начинается второй цикл генерации пейсмекерного потенциала, который будет иметь ту же величину, если на входах устройства не произойдет изменения в соотношении сигналов. Например, если на входы сумматора 12 будет поступать дополнительное напряжение, а на другие входы устройства напряжение не будет поступать, кроме его первых входов, куда поступает напряжение с выхода источника 11, то величина пейсмекерного потенциала, его продолжительность, и продолжительность интервалов между потенциалами будут увеличиваться. Если дополнительное напряжение проступит на входы сумматора 13, то увеличивается только продолжительность потенциалов . При поступлении напряжения на входы интегратора 15 продолжительность пейсмекерных потенциалов уменьшается. При поступлении напряжения на информационные входы интегратора 14 сокращаются интервалы между следующими друг за другом потенциалами. Комбинации воздействий яа информационные входы элемента 2 дают самые различные варианты дискретных последовательностей. Естественно, предсказать заранее характер последовательности потенциалов на выходе любого элемента 2 не представляется возможным даже при моделировании ее на ЭВМ, так как алгоритм программы будет чрезвычайно сложным уже при использовании 3-4 нейронных элементов. С другой стороны, последовательность на выходе любого нейронного элемента 2 зависит в данный и предшествующий моменты от активности других нейронных элементов, входящих в сеть, что позволяет отнести эти последовательности и псевдослучайным. При использовании в сети пяти и более элементов 2 путем различных соединений между ними, можно получить фактически неограниченное число псевдослучайных последовательностей, характер которых зависит от связей внутри сети. В то же время жесткость соединений нейронных элементов в сети обусловливает ограниченные дисперсИи сигналов выходных последовательностей. Эта же жесткость соединений обуславливает возникновение в конечном итоге периодичности и стабилизации дисперсии. Характер дисперсии псевдослучайных последовательностей на выходе каждого элемента 2 зависит от типов соединений элементов 2 в сеть. Предварительные изучения таких сетей выявляют следующие таиденции. Имеется некоторое семейство соединений, при которых дисперсии последовательностей на выходах сумматоров нейроноподобных элементов имеют тен денцию к уменьшению. Такая тенденция прослеживается лучше при включении в сеть большого числа нейроно подобных элементов. При уменьшении же количества нейроноподобных элементов характер колебаний н-апряжени пейсмекерных потенциалов приобрета ет черты гетеростатического, это несколько напоминает изменения в ритмах ретикклярной формации центральной нервной системы. Возможно, изучение работы таких пейсмекерных искусственных сетей может внести добавочную информацию, необходимую для раскрытия механизмов ритмообразования в центральной нервной систе ме и, в частности, в ретикулярной ее формации, в формировании ритмов которой пейсмекерные механизмы игра ют существенную роль. Во втором режиме работы устройст ва с включением коммутатора 6 устройство работает следующим образом Выходы элементов 2 через коммутатор 4 подключаются к входам коммутатора б, в котором происходит случайная коммутация выходов элемен тов 2 через коммутаторы 5 и 3 на входы элементов 2. Подключение выхо дов элементов 2 на входы ячеек .20 {фиг. 3) производится произвольно. В самой ячейке выходы элементов 2 также подключаются произвольно без определенных правил. Так, например выход некоторого элемента 2 может быть подключен или к одному из вхо дов схемы 21 сравнения, или к одно му из входов ключа 24 и 25, но може быть подключен одновременно как к входу схемы 21 сравнения, так и входу одного из ключей 24 или 25 (фиг. 4 ). Коммутация выходов элементов 2 на их входы происходит следующим образом. Если на первый вход схемы 21 сравнения поступает нейсмекерный потенциал, а на. второй вход напряжения не поступает вследствие интервала между потенциалами, или на первый вход поступает потенциал больший, чем на второй, то напряжение с выхода схемы 21 сравнения поступает через элемент 22 на управляющие входы группы ключей 24. Вследствие этого сигналы с выходов нейтронных элементов 2, подключенных к информационным входам ключей 24, поступают на входы тех нейронных элементов 2, к которым подключены выходы ключей 24 через коммутаторы 5 и 3. В противоположном случае напряжение с Выхода схемы 21 сравнения через элемент 23 поступает на управляющие входы группы ключей 25 и коммутация нейронных элементов меняется. В тех случаях, когда на входах схемы 21 сравнения не будет напряжения, или напряжение входов схемы, сравнения будет совпадать по величине, ключи 24 и 25 будут находиться в закрытом положении. Таким образом, в зависимости от состояний активности элементов 2, выходы которых подключены к входам схем 21 сравнения ячеек 20 коммутации меняется сама коммутация оси, что, в свою очередь, меняет ритм активности .нейронных элементов, подающих сигналы на входы схем 21 сравнения.

тт Ti

Фиг.1

Ч