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

Oi ОГ)

оо

Изобретение относится к устройствам яналогоного моделирования нервной системы и нронессов выс1ией нервной деятельности и может быть испол1 зоваио, в частности, при изучении адаптивных процессов памяти в нейрофизиологических экспериментах, а также как функциональный з.чемент в системах искусственнога интеллекта.

Целью изобретения является повышение точности моделирования биологических нейронов за счет воспроизведения адаптивных свойств посттетанической цотенциации.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для моделирования нейрона.

Устройство для моделирования нейрона содержит формирователь 1 входных CKDia- лов, преобраз(зватели 2 частоты в напряжение, блоки 3 зада)1ия весовых коэффициентов, первый су.мматор 4, второй 5 и первый 6 функциональные Н1)еобразовате- ли, второй суммапор 7, преобразователь 8 напряжения в частоту, инерционное звено 9, третий суммато) 10, блок 11 задания порога, б. юк 12 задания весового коэффициента адаптации, интегратор 13.

Устройство для моделирования нейрона работает следующим образом.

Входные всззбуждающие и тормозящие сигналы в виде частоты следования импульсов подаются на входы формпрователе входных сигналов 1. Последовательности импульсов, стабилизированные по амплитуде и длите;1ьности с частотой следования, равной входной частоте, подаются с их выходов на п)еобразовагели 2 частоты в напряжение. Далее, п)оходя через блоки 3 задапия весовых коэффициенюв синаптических контактов, напряжение, нро- порциональное частоте входных импульсов, поступаег с выходов блоков 3 на входы сумматора 4, где происходит суммирование с соответс1вуюн1им мода:1ьности сигнала .наком (возбуждающий или тормозящий).

Ес,лн состояние входов таково, что суммарное напряжение с выхода сум.матора 4 не ipeubiinaeT величину норога возбуждения устройства, задаваемого вторым функциональным преобразователем 5, напряжение па вьгходах первого 6 и второго 5 функциональных преобразователей и второго сумматора 7 равны нулю, в связи с чем импульсация на выходе преобразователя 8 напряжения в частоту, ко 1-орый является выходом устройства, (ггсутствует, при этом напряжение на выходе инерцион- но) звена 9 равно нулю, а напряжение с выхода третьего сумматора 10, равное инвертированному напряжению с блока 11 задания порога, поддерживает величину порога второго функционального преобразователя 5 максимальной. Напряжение на выходах иоследовате. шно соединенных блока 12 задания весовою коэффициента адаптации и ипгегратора 13 также равны ну.чю, что

поддерживает характеристики функциональных преобразователей 5 и 6 в исходном состоянии по их управляющим входам, что соответствует минима.чьному значению дос- тупного медиатора.

В случае, если величина напряжения с выхода сумматора 4 превышает порог второго функционального преобразователя 5 и н(- превышает порога первого преобразователя 6, то устройство работает анало0 гпчно прототипу и на выходе преобразователя JS напряжения в частоту наблюдаются импульсы, частота следования которых пропорциональна напряжению с выхода второго преобразователя 5, а порог посс леднего и величины насыщения преобра- зова1елей ,5 и 6 остаются в исходном состоянии. Превьипение суммарным напряжением с выхода сумматора 4 порога второго преобразователя 5, что соответствует входу нейрона в зону посттетани0 ческой нотенциации, приводит к появлению на выходе первого преобразователя 6 сигнала в соответствии с его характеристикой. Частота генерации импульсов с выхода нреобразователя 8 пронорциональ на этому напряжению и соответствует над- депрессивной активности нейрона. Это же напряжение поступает на вход инерционного звена 9, в связи с чем медленно возрастает напряжение на вьгчоде последнего, вычитаясь в сумматоре 10 из наQ пряжения с блока 1 1 задания порога, медлепно снижает порог нреобразователя

5аналогично прототипу, что моделирует но- вьпление возбудимости пейропа при посттетанической нотенциации.

Кроме того, напряжение с выхода 5 преобразователя 6 поступает, усиливаясь предварительно в блоке 12 задания весового коэффициента адаптации, на вход интегратора 13. Если под действием входных стимулирующих сш налов устройство долго находится в зоне ПТН, на выходе 0 интегратора 13 начинает медленно возрас- тат1) напряжение, линейно изменяющееся, если напряжение на выходе преобраз(1вателя

6постоянно и находится в зоне ПТН (стационарная тетаническая стимулирую5 шая активность). При этом возрастают величины насыщения характеристик функциональных преобразователей 5 и 6, на которые напряжение с выхода интегратора 13 подается мо их управляюпхим входам, в результате чего напряжение на выходе

0 функционального цреобразователя 5 нач1;- пает возрастать, независимо oi того, что напряжение на его выходе не изменяется. Это приводит к линейно.му увеличению частоты генерации с выхода нреобразова- те.чя 8 напряжения в частоту, что cooi5 ветствует увеличению количества доступного к высвобождению медиатора нри дличель- ньгх титанических высокочастотных воздействиях на нейрон. Напряжение па В1 гходе

интегратора Л возрастает в соответсгвии с его iiocTOflHiKjH времени до выхода на ограничение, нри этом частота (енерации импульс ов устанавливается максимальной для данной интенсивности входных стимулов (т. е. в соответствии с характеристикой передачи преобразователя 6). При прекранн пии тетанической стимуляции нейрона, т. е. нри сигнала с выхода сумматора 4 из зоны Г1Т11 па выходе преобразоЕ ате. ш 6 ианряжение отсутствует, нри iTOM сигнал с выхода интегратора 13 сох)аняет постоянным свое текущее значение и поддерживает данное состояние характеристик передачи преобразователей 5 и 6 ио его управ. 1яюпи1м входам.

Если устрг)йстн(1 д;|я мололирования нейрона вновь подвергается тетапнческом воздействию до того, как 11)идет и исходное состояние, т. е. интог атор 13 не успел разрядиться, ю poci напряжепия на его выходе (и сгютветстверпюе возрастание величины насьипения иреобразоваге. кч 5 и 6) начинается с величины напряжения, имеюнгегося в данпьп момент па накопительном коиденса |{}ре интегратора 13. Таким образом, устройство моде,чирует П()вторя1о- П1уюся посттетапическую нотеппиацию.

Формула п: оп1Н гения

Устройство для моде,;1ировапия neiipoiia, содержап1ее пос.чедовате.чьно соедипен1П 1е фг)рмирователи входпых сигпа.чов, входы которых являются возбуждак)П1ИМ11 и тормозящими входами устройства, входн1,1е пре(.)б- разователи частоты а напряжение и б, 1оки

0

5

0

.задания весовых KO cjujiniuicirroB. ньгходы которых подк,-|К)чены к входам первого матора, выход коюрого подключен к первого и второго функпиопальных преобразователей с трапецеида, а 1акте- ристика.ми, преобразовате, 1ь папряжепия в частоту, второй и третпй сумматоры, пнерпионное звено п б,1ок задания порога, выход которого соединен с инвертирующим входом третьего сумматора, выход которого соединен с управ, 1якицпм входом второго функциопа,1ьного преобразователя, второй вход третьегс) сумматора соединен с выходом иперционно1-о звена, выход которого подк, 1К)чен к выходу первого функциопа,чьпо1Ч) преобразователя, соединенному также с вторым входом вто- ро1 о сумматора, первый вх1)д Koropoi o сое дипеи с ()м второго функпиопаль пою преоб)азовате.1я, выход BTOJIOIо сумма- гора соединен с входом преобразовате.1я папряжения в часпогч. вьгход которого является В1 1ходом устройства, отличают сеся тем, что, с целью повышения точное in моде.чирслишия за счет воспропз1 едения адаптивных свойств посттетаппческой iioTctnuia- ции, в него допо,|}П1те, 1ЬПо введены интегратор п б,лок задап}1Я весового коэффициента адаптивности, причем вход б,1()ка задания весового коэффициента адаптпв- не)ст11 соединен с выходом первого циона. 1Ы1ОГО преобразо ате.|я, а выход б.ю- ка задания весово1-о коэ1{)фициента адап- тивпостп соединен с входом интегратора, вьгход которого подк.почен к прав,1ЯК)- П1ИМ входам первого и BTopoio фупкцпо- гальпых преобразовате,1ей.

Изобретение относится к устройствам аналогового моделирования нервной системы и процессов нервной деятельности и может быть использовано, в частности, при изучении адаптивных процессов памяти в нейрофизиологических экспериментах, а также как функциональный элемент в системах искусственного интеллекта. Цель изобретения повышение точности моде;|ирования биологических процессов в нейронах за счет воспроизведения адаптивных свойств посттетанической потенциапии. Поставленная цель достигается тем, что в известное уст1юйство для моделирования нейрона дополнительно введены инте1-ратор 13 с большой постоянной времени интегрирования и блок 3 задания весового коэффициента адаптивности, причем вход последнего соединен с выходом первого функционального преобразователя 6, а выход б.юка 3 задания весового коэффициента адаптивности соединен с входом инте1-ратора 3, выход которого подк, 1ючен к управляющим входам первого и второго функциональньгх преобразовате.чей 6 и 5. I ил