Устройство для моделирования мотонейронов Советский патент 1990 года по МПК G06G7/60 

1C

15

1585810

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при исследовании нейронов и нейронных -структур методом моделирования.

Цель изобретения - повышение точности моделирования мотонейронов гг, -- тем воспроизведения спонтанных эндогенных разрядов.

На чертеже представлена функцио- нальная. схема предлагаемого устройства для моделирования мотонейронов. Устройство для моделирования мотонейронов состоит из блоков моделирования синапсов и содержит формирова- :тели 1 сигналов, преобразователи 2 частоты в напряжение и блоков 3 задания весовых коэффициентов сумматора 4, функционального преобразователя 5 с трапецеидальной амплитудной характеристикой, релейного элемента 6, блока 7 выделения переднего фронта, генератора 8 случайного интервала времени, двухвходового сумматора 9, преобразователя 10 напряжения в частоту, компараторов 11 по числу синаптических входов, логического блока 12, одно- 13 и двухполярного 14 ключей, времязадающей цепи 15, формирователя 16 спайка, аттенюатора 17, блока 18 выделения заднего фронта, инвертирующего повторителя 19 и элемента И 20.

Устройство для моделирования мотонейррнов работает следующим образом. I

Входные возбуждающие и тормозящие сигналы в виде частоты следования импульсов подаются на входы формирователей 1 сигналов . Последовательности импульсов, стабилизированных по амплитуде, с частотами следова20

25

30

35

40

и п к св ин ра пр то ва же об пр 2 та па пр ес ра че ко но от ро ст ус ко в че че а по В р пре тот где нос есл уст при или дви все нап лог свя пре тот лов мом это поя

Нин, равными входными частотами, подаются на преобразователи 2 частоты в напряжение. Преобразованные постоянные напряжения с выходов преобразователей, уровни которых пропорциональны входным частотам и отслеживают их изменение, подаются через блоки 3 задания весовых коэффициентов, Где масштабируются в соответствии с весом синапса и со знаком, соответствующим модельности входного стимула«(возбуждающий или тормозящий), подаются на входы сумматора 4„ где происходит их алгебраическое и временное суммирование. При превышении суммарным напряжением порога

1C

15

20

5

0

5

0

5

0

5

функционального преобразователя 5 с трапецеидальной характеристикой вход- выход на выходе последнего появляется напряжение, изменяющееся с изменением частот входных воздействий . и в соответствии с характеристикой преобразователя 5. При этом на выходе релейного элемента 6 напряжение равно нулю, равно как и на выходе блока 7 вьзделения переднего фронта, в связи с чем генератор 8 случайного интервала включен и на вход сумматора 9 поступают лишь сигналы с выхода преобразователя 10 напряжения в частоту в виде импульсов, частота следования которых пропорциональна напряжению с выхода функционального преобразователя 5. Преобразованные напряжения с выходов преобразователей 2 частоты в напряжение поступают также на входы соответствующих компараторов 11, на выходах которых присутствует сигнал логической 1, если напряжение на входе компаратора не равно нулю, и напряжение логического О, если напряжение на входе компаратора, а следовательно, и входной сигнал на соответствующем-входе отсутствуют. В случае, если активировано более одного входа устройства, на выходе логического блока 12 устанавливается напряжение логичес- кого О, ключи 13 и 14 находятся в исходном положении, в результате чего времязадающая цепь 15 отключена от формирователя 16 спайка, а выход последнего подключен не- - посредственно к выходу устройства. В результате этого импульсы с выхода преобразователя 10 напряжения в частоту поступают на формирователь 16, где формируются по форме и длительности в быстрые Na -спайки. В случае, если активирован только один вход устройства (это происходит обычно при активации нейтрона-пейсмекера или же наблюдается при медленных движениях эффектора), на выходах всех компараторов 11 устанавливается напряжение, соответствующее уровню логического О, кроме компаратора, связанного через соответствующий преобразователь 2 напряжения в частоту и формирователь 1 входных сигналов с входом, активированным в данный момент нейтроном-пейсмекером. При этом на вьтходе логического блока 12 появляется напряжение логической

5,

1, поступающее на управляющие входы ключей 13 и 14, что вызывает; подключение через ключ 13 времязадающей цепи 15 к второму входу формирователя 16 спайка и выхода формирователя 16 через ключ 14 к входу аттенюатора 17 и через него - к выходу устройства. Подключение дополнительной времязадающей цепи 15 к формиро- вателю 16 значительно увеличивает ширину генерируемого устройством спака, а подключение выхода формирователя 16 через аттенюатор 17 уменьшает амплитуду генерируемого спайка так, что он не превышает нулевой уровень потенциала. В случае, если напряжение с выхода сумматора 4 не превышает ndpora функционального преобразователя 5, т.е. на выходе устройства отсутствует всякая -импуль сация, сигнал на выходе релейного элемента 6 становится равным напряжению логической 1, а на выходе блока 7 появляется импульс, соответст- вующий переднему фронту перехода от нуля к единице на выходе релейного элемента 6. Это относится также и к моменту включения устройства. С выхода блок а 7 на генератор 8 случай- ноге интервала поступает импульс в момент, когда устройство прекраш;ает генерировать импульсы. Этот импульс является запускающим для генератора 8 случайного интервала, который генерирует импульс через время Т после поступления запускающего импульса. Интервал времени Т состоит из детерминированной составляющей Т,, ранее которой импульс на выходе генератора 8 появиться не может, и случайной составляющей Т, определяющей спонтанность генерации импульса на выход генератора 8. Импульс с выхода гене- ратора 8 поступает на первьм вход сумматора 9, в то время как на друго входе напряжение равно нулю и проходит на вход формирователя 16 спайка. При этом времязадающая цепь 15 отключена от формирователя спайка сиг- налом нуля, поступающего с выхода логического блока 12 на управляющий вход ключа 13 и поддерживающего его в разомкнутом положении. В результат на выходе блока 16 формируется быст- рый Na -спайк при отсутствии сигнало iна синаптических входах или когда эти сигналы малой интенсивности, или уравновешиваются тормозящими

ю 0 5 0 О З 0 5

5

106

сигналами так, что напряжение с выхода сумматора 4 не превышает порог преобразователя 5. Время, проходящее с момента начала молчания нейрона (т.е. отсутствия ритмической импуль- сации на выходе) до времени генерации спонтанного Ка -спайка5 равно Т и содержит случайную составляющую Т,, отражающую роль флуктуации эндогенных процессов нейрона. Сформированный таким образом спонтанньй спайк проходит через коммутатор непосредственно на выход устройства, так как он находится в верхнем по схеме (фиг.1) положении в результате действия нуля с логического блока 12 на управляющий вход коммутатора. Кроме того, импульс с выхода генератора 8 поступает на блок 18 выделения заднего фронта, на выходе которого появляется импульс орицательной полярности, соответствующий заднему фронту импульса генератора 8 и, проходя через развязывающий инвертор 19, инвертируется и поступает на первый вход элемента И 20. куда одновременно по второму входу поступает сигнал 1 с выхода релейного элемента 6. Только в случае, если нейрон продолжает молчать, т.е. с выхода релейного элемента 6 роступает сигнал 1, импульс с выхода повторителя 19 проходит через элемент И 20, становится запускающим для генератора 8 и процессы повторяются, т.е. через время Т со случайной составляющей Т, происходит вновь генерация спонтанного спайка.

Формула изобретения

Устройство для моделирования мото- нейронов,содержащее N каналов, выходы которых соединены с тормозящими и возбуждающими входами блоков, моделирования сигналов, выходы которых соединены с входами сз мматора, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, формирователь спайка, аттенюатор, компараторы по числу блоков моделирования сигналов, логический блок, времязадающая цепь и одно- и двуполярный ключи, один выход последнего .является выходом устройства, а друго 5 соединен с выходом устройства через ат тенюатор, входы компараторов соединены с выходами блоков моделирования

синапсов, выходы которых соединены с входами логического блока, вьпсод которого соединен с управляющими входами ключей, времязадающая цепь через однополярный ключ соединена с вторым входом формирователя спайка, отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования мотонейрона путем воспроизведения спонтанных эндогенных разрядов, в него введены релейный элемент, блоки вьщеления переднего и заднего фронтов, генератор случайного интервала, двувходовый сумматор, элемент И, инвертирующий повторитель, причем вход релейного элемента соединен с выходом сумматора, выход релейного элемента - с входом блока вьщеления переднего фронта, выход которого соединен с входом генератора случайного интервала, выход которого соединен с первым вхо - дом двувходового сумматора, который включен вторым входом в разрыв между преобразователем напряжения в частоту и формирователем спайка, выход генератора случайного интервала соединен также через блок вьщеления заднего фронта и инвертирующий повторитель с первым входом элемента И,

второй вход которого соединен с выходом релейного элемента, а выход - с входом генератора случайного интервала.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при исследовании нейронов и нейронных структур методом моделирования. Цель изобретения - повышение точности моделирования мотонейронов путем воспроизведения спонтанных эндогенных разрядов. Поставленная цель реализуется за счет введения в состав известного устройства релейного элемента 6, блока 7 выделения переднего фронта, генератора 8 случайного интервала времени, двухвходового сумматора 9, инвертирующего повторителя 19 и элемента И 20. Предлагаемое устройство для моделирования мотонейрона позволяет значительно повысить точность моделирования поведения реального мотонейрона, т.к. позволяет за счет дополнительного введения ряда элементов, соединенных предложенным образом, воспроизводить эндогенные спонтанные спайковые ответы, обусловливающие тоническую стимуляцию иннервируемой мышцы без внешних стимулирующих мотонейрон воздействий. 1 ил.