Устройство для моделирования нейрона неокортекса Советский патент 1989 года по МПК G06G7/60 

Изобретение относится к медиш1нс- ой технике и может быть использовано ри исследовании меха1шзмов мозга етодами аналогового моделирования, также в не5 фофизиологиче,ских эксериментах.

Цель изобрете1тя - повышение досоверности моделирования деятельноси нейрона неокортекса путем воспро- ю зведения воздействия диффузионных процессов возбужде1тя по коре моноаминов на его модуляпию.

: На фиг,1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 - схема 15 блока моделирования рецепторов моноаминов; на фиг.З - схема блока моделирования диффузионных процессов моноаминов.

Устройство для модсшировання ней- 20 рона (фиг.1) содержит возбуждающие 1 и тормозящие 2 входы блоков модели рования возбузсдаюших 3 и тормозя-щих 4 синапсов,-в состав этих блоков входят элементы 5 за,цержки, буфер- 25 ные каскады 6 и управляемые резистор- ные элементы 7 с накопителями 8, аддитивный сумматор 9,. элемент Ш срав- нения, блок 11 формирования порога

второй интегратор 12, преобразователь 30 13 напряжения в частоту, первый интегратор 14, формирователь 15 и fflyль- сов, блок 16 управления синапсами, двухвкодовые сумматоры 17 и 18, блоки моделирования тормозяшдх 19 и 303-35 буждающих 20 рецепторов моноаминов, триггер 21, нелинейный элемент 22 и блок моделирования диффузионных про-, цессов моноаминов 23,

Б.ПОКН моделирова1шя тормозящих 19 40 и возбуждаюш : х 20 рецепторов моноами- нов содержат последовательно соединенные блоки 24 -задания весовьк коэффициентов и блоки 25 задержки, второй сумматор 26, третий интегра- 45 тор 27 и релейньй элемент 28.

Блок 23 моделирова1шя диффузионных процессов моноаминов содержит первый 29, второй 30 и -третий 31 ключи, первый 32 и второй 33 диоды, Q элементы ИГШ 34, первый 35 и второй 36 элементы НЕ-И.

Устройство для мод глирования нейрона неокортекса работает следующим

образом.-55

На возбуждаю1щ-1е 1 и тормозяпще 2 входы блоков моделирования синапсов соответственно возб /ждающих 3 и тор- моаящих 4, постурают испульсные

.л п

последовательности - выходные сигна- ы других нейронов. Задерживаясь в элементах 5 задержки на время синап- ти-ческой задержки и инвертируясь в элементах 5 тормозящих блоков 4, сигналы поступают через буферные каскады 6 на управляемые резисторные эл.е- менты 7 с накопителем 8. На выходе каждого накопителя 8 вьщеляется на- пряжение, пропорциональное частоте следования импульсов,. устанавливают - ее соответственное значение сопротивление элемента 7, уменьшающее проходимость синапсов с увеличением частоты. Масштабированное таким образом импульсное напряжение с выходов блоков 3 и 4 моделирования синапсов поступает на входы аддитивного сумматора 9, где происходит их про- .странственно- временное суммирование Эт о напряжение подается на первый вход элемента 10 сравнения, где сравнивается с разностью напряжений, подаваемой по второму входу с выхода блока 11 формирования порога и третьему входу элемента 10 с выхода второго интегратора 12. В исходный момент времени это напряжение представляет собой начальные условия интегратора 12, зависящие от предыдущих активаи 1й устройства. При частой активации порог снижается (интегратор не успевает разрядиться). При частой активации устройства на- дряжение на выходе интегратора 12 возрасч-ает и, поступая в блок 16 управления синапсами, производит уменьшение их весов управляющими напряжениями, подаваемыми через сумматоры 17 и 18 на вторые входы накопителей 8, где суммируются с имеющимися на них напряжениями.

Если блоки моделирования тормозящих 19 или возбуждающих 20 рецепторов моноаминов не активизированы, т.е. напряжение на них равно и пауза после предыдущей активации достаточно велика, то работа устройства не отличается от работы известного устройства.

Если на входы блока 19 моделирования тормозящих рецепторов моноаминов подаются выходные импульсы нейронов центров -отрицательных эмоций, то эти импульсы подвергаются следующим преобразованиям. Сначала эти импульсы масштабируются в блоках 24 задатгшя весовых коэффигшептов и задерживаются на время диффузии амина в блоках 25 задержки (значительно превышает время синаптической эадержпередачи будут также уменьшаться, так как отрицательное управляющее напряжение описанной обратной связи

ки

элементов 5). Затем они суммируютг- через диод 33 инвертируется, посту f f«« n чч f tTTiTsQT TiTTI XrtnfnTJIO UVrtrtM nVXIX flTn™

СЯ BO втором сумматоре 26 и поступают на вход интегратора 27 с большой постоянной времени, на выходе которог го устанавливается среднее значение частоты. При превьшении порога релейного элемента 28 происходит срабатывание триггера 21, что приводит к появлению единицы на его выходе и установке ключей в положение, показанное на фиг. 3 (ключи 29 и 30). При этом сигнал единицы с релейного элемента 28 поступает также на входы элементов НЕ-И 35 и 36, что приводит к появлению единицы на выходе элемента ИЛИ 34 и замыканию третьего ключа 31. Если в этот момент нейрон возбужден, т.е. генерирует импульсы, и напряжение на выходе сумматора 9 больше нуля и превышает величину зоны нечувствительности элемента 22, то на выходе последнего появляется положительное напряжение, пропорцио-. .нальное выходному напряжению сумматора 9 и поступающее через ключ 31 на встречно-параллельно включенные диоды 32 и 33. Так как напряжение положительное, то открьгоается только .один включенный в прямом направлении диод 32 и напряжение проходит через замкнутый первый ключ 29 (фиг. 3) на первые входы двухвходовык сумматоров 17 возбуждающих синапсов 3. Это напряжение суммируется с суммой напряжений с выхода блока 16 и напряжения накопителя 8, в связи с чем еще больше уменьшает эффективность всех возбуждающих синапсов. Если нейрон гиперполяризован действием тормозящих сигналов с тормозящих входов 2 и напряжение на выходе сумматора 9 отрикательно и превышает зону нечувствительности элемента 22, то на его выходе появляется отрицательный сигнал, пропорциональный выходному напряжению сумматора 9, поступающий через ключ 31 по цепи с встречно включенным диодом 33, через второй ключ 30 (фиг. 3) на первые входы с инверсией сумматоров 18, соединенных выходами с накопителями 8 тормозящих 4 синапсов. При возрастав НИИ гиперполяризации нейрона (т.е. при большей активации тормозящих . входов) синаптические коэффициенты

15

20

25

пая на инвертирующие входы сумматоров 18, и будет складываться с пос- тупаюш ми на накопитель положительны ми напряжениями через сумматор 18 и 10 с выхода буферных каскадов 7. Таким образом, если задействован отрицательный канал рецепторов аминов отрицательных эмоций, действие амина притормаживает нейрон, если он возбужден, и возбуткдает, если он затор можен, т.е. обратные связи и в том и в другом случае являются отрицательными.

Аналогичннм образом осуществляет ся преобразование сигналов, если им пульсы начинают поступать на входы блока 20 моделирования возбуждающих рецепторов моноаминов. Только в это случае выходной сигнал с блока 20 устанавливает триггер 21 в нулевое положение и переключает ключи 29 и меняя тем самым полярность подключения диодов 32 и 33 к каналам упра ления синаптическими коэффициентами 30 блоков моделирования возбуждающих 3 и тормозяшлх 4 синапсов. В результа те этого снижается эффективность то мозяшлх синапсов, т.е. нейрон становится более возбудимым.

Таким образом, моноамины, выделя мые нейронами эмоциональных центров соответствующие положительным эмоциям, действуют на нейрон так, что, если он был возбужден, то становитс 40 еще более возбужденным, а если был заторможен, то становится еще более заторможенным.

В случае одновременной стимуляци входов блоков 19 и 20 на выходах 45 релейных элементов 28 появляется н пряжение логической единицы. В рет зультате этого срабатывает логичес кая схема на элементах НЕ-И 35 и 3 на выходе элемента ИЛИ 34 появляет сигнал нуля и ключ 31 приходит в р зомкнутое состояние, в результате чего обратная связь размыкается.

После прекращения стимуляции вх дов блоков 19 или 20 интеграторы 2 55 медленно разряжаются, долго сохран еще уровень напряжения на выходе, достаточный для срабатывания релей ных элементов 28, что моделирует процессы распада моноамииов после

35

50

передачи будут также уменьшаться, так как отрицательное управляющее напряжение описанной обратной связи

через диод 33 инвертируется, посту«« n чч f tTTiTsQT TiTTI XrtnfnTJIO UVrtrtM nVXIX flTn™

5

0

5

пая на инвертирующие входы сумматоров 18, и будет складываться с пос- тупаюш ми на накопитель положительными напряжениями через сумматор 18 и с выхода буферных каскадов 7. Таким образом, если задействован отрицательный канал рецепторов аминов отрицательных эмоций, действие амина притормаживает нейрон, если он возбужден, и возбуткдает, если он заторможен, т.е. обратные связи и в том и в другом случае являются отрицательными.

Аналогичннм образом осуществляется преобразование сигналов, если импульсы начинают поступать на входы блока 20 моделирования возбуждающих рецепторов моноаминов. Только в этом случае выходной сигнал с блока 20 устанавливает триггер 21 в нулевое положение и переключает ключи 29 и 30, меняя тем самым полярность подключения диодов 32 и 33 к каналам управления синаптическими коэффициентами 0 блоков моделирования возбуждающих 3 и тормозяшлх 4 синапсов. В результате этого снижается эффективность тор- мозяшлх синапсов, т.е. нейрон становится более возбудимым.

Таким образом, моноамины, выделяемые нейронами эмоциональных центров, соответствующие положительным эмоциям, действуют на нейрон так, что, если он был возбужден, то становится 40 еще более возбужденным, а если был заторможен, то становится еще более заторможенным.

В случае одновременной стимуляции входов блоков 19 и 20 на выходах 45 релейных элементов 28 появляется напряжение логической единицы. В зультате этого срабатывает логическая схема на элементах НЕ-И 35 и 36, на выходе элемента ИЛИ 34 появляется сигнал нуля и ключ 31 приходит в разомкнутое состояние, в результате чего обратная связь размыкается.

После прекращения стимуляции входов блоков 19 или 20 интеграторы 27 55 медленно разряжаются, долго сохраняя еще уровень напряжения на выходе, достаточный для срабатывания релейных элементов 28, что моделирует процессы распада моноамииов после

35

50

прекращения их вццеленкя, т.е. их остаточное действие, продолжающееся некоторое время,

Формула изо6 5етения

1. Устройство для.моделирования нейрона неокортекса, содержащее блоки моделирования синапсов, аддитивны сумматор, блок сравнения, преобразователь напряжения в частоту, первый и второй интеграторы, формирователь выходных импульсов, форштрователь

порога, блок управления синапсами, причем выходы блоков моделирования синапсов соединены, с входами адди™ тивного сумматора,- вьо:од которого соединен с первым входом блока срав- нения, выход которого подключен к первому входу преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключей к входу формирователя импульсов, вькод .которого Я1зляется выходом устройства, второй выход рреобразо- вателя напряжения в частоту через последовательно соединенные интеграторы подключен к второму входу блока сравнения3 выход первого интегратора кроме того, подключен к второму входу преобразователя напряжения в частоту, входы блоков моделирования синапсов соединены с входами блока фор иpoвaния. порога, выход которого соединен с третьим входом блока сравне- шя, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности моделирования деятельности нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионных процессов возбуждения по коре моноаминов на его модуляцию,, в него введены блоки моделирования рецепторов моноаминов, триггер, нелинейньй элемент блок моделярования диффузионных процессов моноаминов и двухвходовые сумматоры по числу блоков моделирования синапсов, причем выходы блоков моделиро45 дом логического блока, выход третьего ключа соединен с анодом первого диода, катод которого подключен к входу первого ключа, а также выход третьегр ключа соединен с катодом

ва1шя рецепторов моноаминов соединены с соответствующими входами тригге- 50 торого диода, анод которого соедивходом второго :люча, нормальра и соответственно с первым и втог рым входами блока моделирования диффузионных процессов моноаминов, третий «ход которого соединен с вьшодом, триггера, выход которого такде соединен .с первым входом нелинейного элемента, второй вход которого-соединен также с выходом ;1дцитивного сумматора,выход нрлинейного элемента

55

нен с

но замкнутый выход первого ключа соединен с нормально разомкнутым выходом второго ключа и образует первый выход логического блока, нормально разомкнутый выход первого ключа сое.- динен с нормально замкнутым выходом второго ключа и образует второй выход логического блока«

5

5

0

25

соединен с четвертым входом блока моделирования диффузионных процессов моноаминов, первый и второй вьсходы которого подключены к соответствующим первым входам двухвходовых сумматоров, к вторым входам которых подключены соответствующие выходы блока управления синйпсов, вход ко- которого соединен с выходом второго интегратора, выход двухвходовых сумматоров соединен с управляющим входом блоков моделирования синапсов.

2.Устройство по п. 1, о т л и - ч а ю п; е е с я тем, что блоки моделирования рецепторов моноаминов содержат последовательно соединенные блоки задания весовых коэффициентов и блоки задержки, второй сумматор, .третий интегратор, релейный элемент, причем выходы блока задержки соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен с входом третьего интегратора, выход которого соединен с входом репейного элемента, выход которого является выходом блока моделирования рецепторов моноами- нов.

3,Устройство по п„ 1, о т л и- чающееся тем, что блок мо делирования диффузионных процессов моноаминов содержит три ключа, два диода, элемент ИПИ, два элемента

2g НЕ-И, рричем каждый неинвертируюпщй вход каждого элемента НЕ-И соединен с инвертирующим входом другого элемента, объединенные таким образом, входы образуют первый и второй вхо40 ды логического блока, выходы элементов НЕ-И соединенн с входами эле- мента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, вход которого является четвертым вход

45 дом логического блока, выход третьего ключа соединен с анодом первого диода, катод которого подключен к входу первого ключа, а также выход третьегр ключа соединен с катодом

30

50 торого диода, анод которого соедивходом второго :люча, нормаль5

нен с

но замкнутый выход первого ключа соединен с нормально разомкнутым выходом второго ключа и образует первый выход логического блока, нормально разомкнутый выход первого ключа сое.- динен с нормально замкнутым выходом второго ключа и образует второй выход логического блока«

Фиг.2

Изобретение относится к облас1 медицинской техники и может быть использовано при исследовании механизмов мозга методами аналогового моделирования, а также в нейрофизиологических зкспериментах. Цель изобретения - повышение достоверности моделирования деятельности нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионных процессов возбуткдения по коре моноаминов на его модуляцию. Поставленная цель реализуется в результате введения в состав известного устройства блоков моделирования термозящих 19 и возбуждающих рецепторов моноаминов, триггера 21, нелинейного злемента 22 и блока 23 моделирования диффузионных процессов моноаминов. Предложенное устройство обладает способностью значительно изменять функциональное состояние нейрона неокортекса при действии нейронов эмоциональных центров с на входы рецепторов моноаминов, поз- воляя тем самым моделировать механизмы эмоциональных реакций на клеточном уровне. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 1(0 00 Фие.1