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

10

Изобретение относится к устрой- ствам аналогового моделирования Hej)- вной системы и может быть использовано в экспериментах при исследовании процессов в нейронных структурах, а также в нейрокибернетике.

Цель изобретения - повытаение точности дендритных выходов путем моделирования возможности отведения волновых сигналов из любого участка дендрита между, синаптическнтуги контактами, .

На фиг„Т представлена функциональная схема предлагаемого устройства для моделирования нейрона.; - на фиг,2 - функциональная схема блока моделирования дендрита.

Устройство для моделирования нейрона содержит резисторные элементы 1 блоки моделирование возбуяздшощих 2 и тормозящих 3 синапсов., кгдодый из которых состоит из согласующего усилителя 4, накопительного элемента 5 и элемента 6 синаптической задержки,, . ч блоки 7 моделирования дендритов/ про- ксимальные выходы 8 блоков 7, адди- тивныГг сумматор 9, пороговьй блок ,10, состоящий из элемента 11 сравне- i ния/фор1 шрователя 12 порога, формирователя 13 выходных импульсов и блока 14 обратной связи,, а также блока 15 синхронизации,,

Блок 7 моделирования дендрита (фиго2) содержит первую группу с ум- Маторов .165 прямую цепь 17, вторую группу сумматоров 18,,обратную цепь 19, первую 20 и вторую 21 группы элементов задержки, группу двухвходовых

1585811 .4 ,

ческой задержки в злементах 6 и поступают на входы соответств тощих блоков 7 моделирования дендритов соответственно расположению синапсов на каждом реальном дендрите. Также как и в известном устройстве результирующие сигналы с вьпсодов 8 блоков 7 су1Угмируются В аддитивном су шаторе 9, где происходит их алгебраическое и временное су№Умр.о-ванн&, Суг гмарньш сигнал с выхода сзт-ячатора 9 поступает на вход порогового блока 10, которым является первый вход злеменша 11 сравнения, на второй вход которого

20

30

сумматоров 22J инвертор 23 третью 24 и четвертую 25 грулпу элементов задержки «

40

поступает напряжение,порога с выхода формирователя 12 порога,; При отсутствии 1-1мпульсации на выходе устройства на- на выходе формирователя 12 порога,соответствует начальному значению порога При превьплении этого значения величиной сумг арного сигнала с выхода суг.ьматора 9 на вькоде элемента 11 появляется сигнал, при этом, формирователь ЕЫХОДНЬПС 13 импульсов генерирует импульсную последовательность близкую по форме.к спайкам, частота которой пропорциональна .напр ядсен зо на выходе элемента 12 Адап- . подстройка параметров устройства осуществляется аналогично прототипу при помощи блока 14 обратной связи и блока 15 синхронизации,, При наличии импулг-,са на выходе устройства сигнал с выхода формирователя 13 поступает на вход блока .14 обратной связи, на выходе которого появляется сигнал, .поступающий на вход формирователя 12 порога, в результате чего з-гвеличивается вел ичина порога что моделирует .реакцшо привыкания на пороговом уровне. .Сигнал с выхода формирователя 13 поступает также на вход блока 15 синхронизации вместе с входными, сигналами устройства, поступающими на соответствующие входы блока 15, В зависимости от величины этих сигналов заданным условием с блока 15 синхронизации поступает управ л яющМ сигнал,j изменяющий сопротивление соответствзтощего резисторного элемента 1, Сигналы ШЮП в каждом блоке 7 моделирования дендрита поступают н.а неинвертирующие 16 и инвер-. тирующие 18 входы сумматоров и это го блока,, В каждом сумг-таторе .при этом происходит суммирование ЛПСП с .волной потенциала;, распространяющейся вдоль тфямой цепи 17 к прохси 1аль

Устройство для моделирования нейрона работает следуюш;им образом

Выходные сигналы в виде спайковой последовательности подаются .на выходы управляемых резйстор1 .ых элементо.а 1, где масштабируются по амплитуде в соответствии с. весом синаптического контакта, далее поступают на входы .блоков моделирования возбуждающих 2 и тормозящих 3 синапсов,, где через согласующие усилители 4 попадают на накопительные элементы 5, -при этом изменяют форму, длительность и знак (возбуждающий или тормозящий синапс) и преобразуются в локальные постсинап тические потенциалы (ЛПСП). Дштее они задерживаются на время синаптич

0

0

0

0

поступает напряжение,порога с выхода формирователя 12 порога,; При отсутствии 1-1мпульсации на выходе устройства на- на выходе формирователя 12 порога,соответствует начальному значению порога При превьплении этого значения величиной сумг арного сигнала с выхода суг.ьматора 9 на вькоде элемента 11 появляется сигнал, при этом, формирователь ЕЫХОДНЬПС 13 импульсов генерирует импульсную последовательность близкую по форме.к спайкам, частота которой пропорциональна .напр ядсен зо на выходе элемента 12 Адап- . подстройка параметров устройства осуществляется аналогично прототипу при помощи блока 14 обратной связи и блока 15 синхронизации,, При наличии импулг-,са на выходе устройства сигнал с выхода формирователя 13 поступает на вход блока .14 обратной связи, на выходе которого появляется сигнал, .поступающий на вход формирователя 12 порога, в результате чего з-гвеличивается вел ичина порога что моделирует .реакцшо привыкания на пороговом уровне. .Сигнал с выхода формирователя 13 поступает также на вход блока 15 синхронизации вместе с входными, сигналами устройства, поступающими на соответствующие входы блока 15, В зависимости от величины этих сигналов заданным условием с блока 15 синхронизации поступает управ л яющМ сигнал,j изменяющий сопротивление соответствзтощего резисторного элемента 1, Сигналы ШЮП в каждом блоке 7 моделирования дендрита поступают н.а неинвертирующие 16 и инвер-. тирующие 18 входы сумматоров и это го блока,, В каждом сумг-таторе .при этом происходит суммирование ЛПСП с .волной потенциала;, распространяющейся вдоль тфямой цепи 17 к прохси 1аль 5158581

ому выходу 8. Через время и, отосительно ЛИСИ с выхода каждого сиапса 2 шш 3, поступающих на суммаоры блока 7 моделирования дендрида, сумматор блока 7 моделирования дендита осут ествляетоя- алгебраическое . уммирование прямой и обратной волны., причем вклады этих волн в резуль- тирующш сигнал на выходе данного Q сумматора от блшкайшшс к нему по обе стороны вдолтз дендрита синапсов определяются соотношением постоянных времени задержки

задержки ( L, f,.р

10 . -iS

ц -if

) и коэф- 15

фидиентов передачи К и К -этих члеентов (К. 11 К. Ко). Соотношение этих веZ4

ЛИЧИН определяет-положение места отведения внутридендритного потенция- 20 ла в промежутке между соседними синапсами и может располагаться в лкз-. бом месте этого участка5 что позволяет точно отразить морфологию реальных междендритных связей нейронов 2,5 с развитым дендр1 оном, что невоз- можно в.известном устройстве, так как дендритные выходы в нем жестко привязаны к месту синаптических контактов. В результате, этого сигна- зо лы на дендритных выходах в известном устройстве также функционально отли- от сигналов на дендритных выг- ходах.известного устройства, так как учитывают действие обратной волны, запаздьюают относительно ЛПСЯ на вре- мя распространения от синапсов до дендритного выхода (электрического или химического контакта с другим дендритом) и отличается амплитудой от ЛИСП в зависимости от величины затухания при движении волны потенциала до дендритного выхода.

35

40

Формула изобретен,ия

Устройство для моделирования- нейрона, содержащее управляемые резистор- ные элементыJ блоки моделтфования 50 синапсов, состоявшие из последовательно соединенных согласующих усилителей, входы которых являются входами блоков моделирования синапсов, накопи- ; тельных элементов, элементов задержки,55 блоки моделирования дендритов, состоящие из трехвходовых сумматоров, элементов задерж-ки и инвертора, образующих прямую и обратную цепи так.

Q

5

0 ,5 о

5

0

5

0 5

1о

что .,темен Till задержки м сумьтторы по ne. неиивертирующему. входу включены в них последовательно и чередуются между собой, причем обратная цепь начинается с сумматора, а выход ее последнего элемента задержки соединен через инвертор с входом первого элемента задержки прямой цепи, вторые неинвертирующие входы сумматоров прямой цепи соединены с инвертирующими входами смеж}1 гх с Н1р1и суммато- - ров обратной цепи и являются входами блока моделирования дендрита, которые соедине}1ы с выходами соответствующей ему группы блоков моделирования синапсов, выход каждого элемента задержки прямоз цепи соединен с вторым неинвертирующ11М входом соответствующего cx MNiaTopa обратной цепи и является выходом блока моделирования дендрита и дендритным выходом устройства, а выход каждого элемента задержки обратной цепи соединен с третьим неинвертирующим входом соответствующего с -мматора пряьюй цепи, прямая цепь оканчивается элементом.задержки, выход которого является проксимальным выходом блока моделирования .дендрита, аддитивньш сумматор, входы которого подключены к проксимальным выходам блорсов моделирования денд- ри7 ов, пороговьй блок, включенньй на вы:сод аддитивного cyMi-iaTopa и состоящий из элемента сравнения, вход которого служит входом порогового блока, блока формирования порога, выход которого включен на второй вход элемента сра.внения, формирователя выходных импульсов, подключенного к выходу элемента сравнения, блока обратной св язи, выход которого подключен к входу блока формирования порога, а вход соединен с выходом устройства, которым является выход формирователя выходных импульсов, устройство также содержит блок синхронизации, входы которого соединены с выходом устройства и его входами, а выходы по числу синапсов подключены к управляющим входам резисторных элементов, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности дендритных выходов за счет моделирования возможности отделения волновых сигналов из любого участка дендрита между синаптическими контактами, Б каждый блок моделирования дендрита введены элементы задержки по числу имею-

щихся в Них элементов задержки без одного, причем каждый элемент задерж-. ки включается в разрыв между имеющимся в прямой и обратной цепи последовательно включенным с ним сумматором, выходы двухвходовых сумматоров являются дендритными выходами, первый вход каждого сз сматора подсоединен

между вЬгходом элементом задержки и входом дополнительно введенного элемента задержки прямой цепи, а второй вход - между соответствующими им элементами задержки обратной цепи, число двухвходовых сумматоров равно числу участков дендрита между синапти- ческими контактами.

Изобретение относится к устройствам аналогового моделирования нервной системы и может быть использовано в экспериментах при исследовании процессов в нервных структурах, а также в нейрокибернетике. Цель изобретения - повышение точности дендритных выходов устройства за счет моделирования возможности отделения волновых сигналов из любого участка дентрита между синаптическими контактами. Это достигается тем, что сигналы локальных постсинаптических потенциалов (ЛПСД) поступают на неинвертирующие входы сумматоров 16 прямой цепи 17 блоков 7 моделирования дендритов и инвертирующие входы сумматоров 18 обратной цепи 19, в результате чего по цепям 17 и 19 распространяются прямая и обратная волны потенциалов, взаимодействующие по перекрестным связям. Прямые и обратные волны потенциалов отводятся благодаря дополнительно введенным элементам 21 и 25 задержки от точек между ними, функционально соответствующим любой промежуточной точке между синапсами, взаимодействуют в сумматорах 22 и поступают на дендритные выходы. В результате этого сигналы на дендритных выходах учитывают действие обратной волны, запаздывая относительно времени распространения ЛПСП, а также отличаются амплитудой от ЛПСП в зависимости от величины затухания при движении волны потенциала до дендритного выхода. 2 ил.

Фиг.1