Устройство для моделирования афферентного нейрона Советский патент 1988 года по МПК G06G7/60 

о

(Г

о

Изобретение относится к электронному моделированию свойств биологических нейронов и может быть использовано при изучении на моделях ней- ронных механизмов переработки информации в зрительной и слуховой системах, в системе управления движениями а также в бионических системах и роботостроении.

Целью изобретения является узе- личение точности моделирования афферентного нейрона за счет воспроизведения в реальном масштабе времени процессов распространения сигналов по нервному волокну, обеспечивая соответствующие афферентным нейронам задержку генерации импульса на выходе устройства по отношению к моменту возникновения импульса на его входе.

На фиг.1 дана блок-схема устройства для моделирования афферентного нейрона ; на фиг.2 - схема управляемого генератора импульсов.

Устройство содержит (фиг.1) управляемые генераторы 1 импульсов, дифференцирующие RC-цепочки 2 и источник 3 изменяемого напряжения (модель рецепторного образования).

Управляемый генератор 1 состоит из операционного усилителя 4, резис- тивного делителя 5, времязадающего конденсатора 6, резистора 7 обратной связи, разделительного диода 8, масштабирующего резистора 9, выпрямительного диода 10 и первого и второго времязадающих резисторов 11 и 12.

Устройство работает следующим об- разом,

В исходном состоянии после подачи питающего напряжения и при отсутствии напряжения на выходе источника 3 на выходе всех операционньпс уси лителей 4 устанавливается положительное напряжение, которое поддерживается положительной обратной.связью через резистивный делитель 5, Отрицательная обратная связь через диод 8 и резисторы 7 и 9 не работает, так как диод 8 заперт положительным напряжением с выхода операционного усилителя 4. Такое состояние схемы устойчиво и может продолжаться неограниченно долго. Конденсаторы-RC-цепочки не пропускают постоянный уровень напряжения, и на входах всех управляемых постоянным напряжением гене

Q

д

0

5

раторов поддерживает нулевой потенциал.

При появлении на выходе модели рецепторного образования положительного напряжения происходит заряд интегрирующего конденсатора 6 через резистор 11 и диод 10. Как только напряжение на конденсаторе 6 превысит пороговый уровень, устанавливаемый ре- зистивным делителем 5, на выходе операционного усилителя 4 напряжение .:. становится отрицательным, замыкается цепь обратной связи через открытый диод 8 и происходит перезаряд конденсатора 6 в соответствии с постоянной времени, которой формируется длительность отрицательного импульса на выходе генератора 1. На время генерации импульса отрицательное напряжение с выхода операционного усилителя 4 через диод 8 и резистор 12 запирает второй диод 10, блокируя действие постоянного входного напряжения на конденсатор 6 и обеспечивая таким образом постоянство длительности импульса на выходе генератора 1 независимо от уровня напряжения на его входе. После окончания формирования импульса положительное напряжение с выхода операционного усилителя запирает диод 8 в цепи отрицательной об-, ратной связи и возобновляется процесс интегрирования входного напряжения .

Работа устройства позволяет трактовать характер преобразования аналогового напряжения на выходе модели рецепторного образования в последовательность импульсов на выходе генератора как присувщй афферентному нейрону процесс генерации. Резистивный делитель 5 определяет пороги генерации импульса и его длительность, поддерживая уровень срабатьгаания схемы в пределах долей вольта (коэффициент деления равен 40), Диод 8 в цепи отрицательной обратной связи блокирует автоколебательньй режим и обеспечивает устойчивое состояние схемы при нулевом уровне входного напряжения. Последовательно соединенные входной резистор 11 и диод 10 с параллельно ему включенными последовательно соединенными резисторами . 7 и 12, соединенные с инвертирующим входом операционного усилителя 4, через резистор 9 обеспечивают боль-: Шую чувствительность схемы с малым

значением входных напряжений и уменьшают возможность насыщения для больших напряжений, позволяя охватить весь диапазон изменения входного сигнала в диапазон изменения частоты следования импульсов на выходе генератора (и, следовательно, всего устройства) , соответствующий моделируемому афферентному нейрону.

Использование последовательно соединенных через RC-цепочки управляемых напряжением генераторов (фиг.1) в устройстве для моделирования афферентного нейрона позволяет промоделировать еще некоторые свойства распространения импульсов вдоль нервного волокна, которые могут быть присущи не только афферентному нейрону, но и аксонам других клеток. Перепады напряжения во время генерации импульсов проходят через конденсатор RC-цепочки 2 и преобразуются в экспо ненциально изменяющиеся напряжения на входах генераторов. Отрицательное напряжение, появляющееся в момент генерации импульса предьщущим усилителем, не изменяет напряжение на выходе последующего генератора 1. Положительный перепад напряжения интег- рир уется на конденсатор 6 с постоянной времени входной цепи и, достигну порогового уровня, вызывает генерацию импульса вторым усилителем 4, перепад напряжения на выходе которого от отрицательного значения к положительному заставляет сработать третий генератор 1 и т.д. По цепочке генераторов происходит распространение возникающего в первом генераторе импульса.

Особенность предлагаемого устройства для модели1эования афферентного нейрона заключается в том, что импульс в следующем генераторе возникает с большей задержкой, чем длительность генерируемого предыдущим генератором импульса на величину, определяемую параметрами RC-цепочки и постоянной времени интегрирования входной цепи, генератора. Это позволяет сократить число генераторов в цепочке для получения той же величин задержки. Другой особенностью устройства является уменьшение времени за- д|ержки генерации импульса последующим генератором при увеличении частоты следования импульсов на выходе предьщущего. Такой эффект присущ рекогдамежим0

0

5

альным нервны проводникам, распространяющиеся с малыми пульсными интервалами пачки импульсов, увеличивая зону деполяризации нервных волокон, перескакивают через несколько перехватов Ранвье, увеличивая скорость проведения возбуждения. В устройстве этот эффект достигается автоматически вследствие увеличения положительного напряжения на входе генераторов по мере уменьшения скважности в последовательностях импульсов на выходе предьщущих 5 генераторов, что требует меньшего времени интегрирования для достижения порога генерации.

Моделирование осуществляется в реальном времени с параметрами преобразования на отдельных элементах, аналогичными параметрам биологических структур, что позволяет осуществлять непосредственное сравнение результатов модельных и биологических экспериментов в форме, принятой в нейрофизиологических исследованиях.

Формула изобретения

Устройство для моделирования афферентного нейрона,содержащее управляемый генератор импульсов, состоящий из первого и второго времязалающих резисторов, выпрямительного диода и времязадающ ёго конденсатора, первая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, вторая обкладка времязадающего конденсатора через масштабирующий резистор подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с катодом разделительного диода, анод которого через резистор обратной связи подключен к второй обкладке времязадающего конденсатора, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен со средним выводом резистивного делителя, первый вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход операционного усилителя является выходом управляемого генератора, отличающее- с я тем, что, с целью увеличения точности моделирования афферентного нейрона за счет воспроизведения в реальном масштабе времени процессов распространения сигналов по нервному волокну, в него введены источник изменяемого напряжения, п управляемых

0

5

0

5

0

5

генераторов и п диффереицигующих КС-цепочек,.управляемые генераторы через дифференцирующие КС-цепочки соединены последовательно, вход пер-. него управляемого генератора подключен к выходу источника изменяемого напряжения, выходы всех управляемых генераторов являются выходами устройства, в каждом-управляемом генераторе первый вывод первого ппе.мязадающего

реяисторз соединен с входом упрпнля- емого генератора, а его второй вывод - с.анодом выпрямительного диода и через второй времязадаюп1ий резистор с анодом разделительного диода, катод выпрямительного диода подключен к второй обкладке времязадающего конденсатора,второй вьшод резистивно- го делителя соединен с выходом операционного усилителя.

Изобретение относится к электронному моделированию свойств биологических нейронов и может быть использовано при изучении на моделях нейронньтх механизмов переработки информации в зрительной и слуховой системах, в системе увеличения точности моделирования афферентного нейрона. Цель достигается тем, что в устройство введены источник изменяемого напряжения, п управляемых генераторов и п дифференцирующих КС-цепо чек. Устройство преобразует аналоговый сигнал, соответствующий изменению рецепторного потенциала, в последовательность импульсов, которые распространяются с задержкой по цепочке генераторов. Новизна заключается в механизме преобразования аналогового сигнала в импульсный поток и в изменении времени задержки в зависимости от частоты следования импульсов вдоль цепочки генераторов. 2 ил. % i (Л

фиг. 2