Устройство для моделирования нейрона Советский патент 1991 года по МПК G06G7/60 

Изобретение относится к нейрокибер- нетике и может быть использовано в модельных экспериментах при изучении некоторых функций нервной системы, а также как функциональный элемент в системах искусственного интеллекта.

Целью изобретения является повышение достоверности моделирования нейронов путем воспроизведения взаимодействия аксонных и соматических спайков,

На чертеже изображена функциональная схема устройства для моделирования нейрона.

Устройство для моделирования нейрона содержит блоки 1 формирования входных сигналов, преобразователи 2 частоты в напряжение, блоки 3 задания весовых коэффициентов, сумматор 4, функциональный преобразователь 5 с трапецеидальной амплитудной характеристикой, преобразователь 6 напряжения в частоту, первый триггер 7, второй элемент И 8, генератор 9 импульсов, второй элемент ИЛИ 10, первый формирователь 11 спайков, соматический выход 12 устройства, элемент 13 задержки, аксонный выход 14 устройства, второй формирователь 15 спайков, первый элемент ИЛИ 16, второй триггер 17 и первый элемент И 18.

Устройство для моделирования нейрона работает следующим образом.

На входы блоков 1 формирования входных сигналов, которые являются возбуждающими либо тормозящими входами устройства, поступают входные импульсные последовательности спайкоа. В блоках 1 происходит их стандартизация по амплитуде и длительности, далее происходит преобразование их в напряжение, величина котороО -N ND 00

сл

го пропорциональна частоте в преобразователях 2 частоты в напряжение, и масштабирование в блоках 3 задания весовых коэффициентов .по амплитуде в соответствии с весом синапса и знаку в соответствии с типом синапса (воздуждающий и ли тормозящий). Преобразованные таким образом сигналы суммируются в сумматоре 4, и сум- марное напряжение поступает на вход функционального преобразователя 5 с трапецеидальной амплитудной характеристикой вход-выход и зоной нечувствительности. Аналогично прототипу при превышении зоны нечувствительности преобразователя 5 на его выходе появляется напряжение в соответствии с трапецеидальной амплитудной характеристикой преобразователя 5. При этом на выходе преобразователя б напряжения в частоту появляются прямоугольные импульсы, частота которых пропорциональна напряжению на выходе преобразователя 5. Возникший на выходе преобразователя б импульс поступает на счетный вход первого триггера 7 и устанавливает его в состояние 1. Это напряжение с его выхода подается на первый вход второго элемента И 8 и является разрешающим для напряжения с выхода генератора 9, которое в виде последовательности прямоугольных импульсов проходит на выход элемента И 8. Эта последовательность посту пет через первый вход элемента ИЛИ 10 и, суммируясь в нем с импульсами с выхода преобразователя б, поступает на вход первого формирователя 11 спайков, где преобразуется в импульсы, близкие по форме и спайкам, и поступает на соматический выход 12 устройства.

Сигналы с выхода элемента И 8 также, задерживаясь в элементе 13 задержки на время т, поступают на аксонный выход 14 через второй формирователь 15 спайков, являются аксонными разрядами устройства. Кроме того, эта аксонная последовательность разрядов с выхода элемента 13 задержки поступает на второй вход первого элемента ИЛИ 16, на второй вход которого поступают импульсы с выхода элемента и 8. При поступлении импульса с выхода элемента И 8 через первый вход элемента ИЛИ 16 на счетный вход второго триггера происходит установка его в 1 передним фронтом импульса. Через время задержки г элемента 13 этот импульс появляется на его выходе и также поступает на счетный вход триггера 17, устанавливая его передним фронтом в состояние О. Далее, с выхода элемента И 8 поступает следующий импульс через время Т относительно первого, определяемого частотой генерации генератора 9, и процессы повторяются, при этом триггер 17 переключается поочередно импульсами с выхода элемента И 8 и выхода

элемента 13 задержки. При поступлении на счетный вход первого триггера 7 следующего импульса с выхода преобразователя б напряжения в частоту, вызванного синапти- ческим возбуждением через время Ti, об0 ратно пропорциональное мгновенной величине напряжения с выхода преобразователя 5, возможны два случая.

Когда этот импульс приходит после очередного задержанного импульса на выходе

5 13 элемента задержки и до поступления следующего импульса с выхода элемента И 8, импульсе выхода преобразователя 6 поступает на первый вход первого элемента И 18, на вторрм входе которого напряжение с вы0 хода триггера 17 в этот момент равно нулю, в результате чего сигнал на выходе элемента И 18 также равен нулю и сброса триггера 7 в ноль не поисходит, б связи с чем описанные процессы продолжают повторяться, так

5 как поступивший импульс с выхода преобразователя 6 не оказывает на них влияния. При этом на соматическом выходе 12 наблю- .дается импульсная последовательность с частотой импульсов с генератора 9, с нало0 женной на нее последовательностью импульсов с выхода преобразователя 6, а на аксонном выходе 14 - последовательность с

выхода элемента И 8. но сдвинутая на .

&

5 Таким образом, между двух триггерных зон возникает автогенерация спайков, импульс синаптического происхождения (с выхода преобразователя 6) является лишь запускающим. В данном случае новый импульс с

0 выхода преобразователя 6 приходит в момент, когда очередной аксонный импульс уже возник в аксонной зоне и движется ему навстречу в сторону сомы. Поскольку обратное распространение аксонного импульса

5 электротоническое, т.е. со значительным затуханием, то блокировки соматического импульса с выхода преобразователя 6 не происходит, а результирующий импульс от взаимодействия этих двух импульсов сохраня0 ет направление движения импульса с выхода преобразователя 6, т.е. в сторону аксонной триггерной зоны, и вновь запускает ее, в результате чего процессы генерации между двумя зонами не срываются.

5 Предлагаемое устройство для моделирования нейрона обладает значительно более высокой точностью моделирования ак- сонных процессов в нейронах с аксонной триггерной зоной, достаточно распространенных в нервной системе как беспозвоночных, так и позвоночных, не воспроизводящихся в известных моделях нейронов, не учитывающих аксонные процессы и взаимодействие их с соматическими.

Формула изобретения Устройство для моделирования нейрона, содержащее последовательно соединенные формирователи входных сигналов, входы которых являются входами устройства преобразователи частоты в напряжение и блоки задания весовых коэффициентов, выходы которых соединены с входами сумматора, функциональный преобразователь с трапецеидальной амплитудной характери- стикой и преобразователь напряжения в частоту, выход которого является выходом устройства, а вход соединен с выходом функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом сумматора, о т л и- чающееся тем, что, с целью повышения достоверности моделирования нейронов путем воспроизведения взаимодействия ак- сонных и соматических спайков, в него введены два триггера, генератор импульсов,

два элемента И, два элемента ИЛИ, элемент задержки, два формирователя спайков, причем счетный вход первого триггера соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту и первым входом первого элемента И, его вход установки нуля соединен с выходом элемента И, а выход триггера подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора, а выход подключен к первым входам первого и второго элементов ИЛИ и к входу элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и входом первого формирователя спайков, выход которого является аксонным выходом устройства, второй вход второго элемента ИЛИ соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, а выход второго элемента ИЛИ соединен с входом второго формирователя спайков, выход которого является соматическим выходом устройства, выход первого элемента ИЛИ соединен со счетным входом второго триггера, выход которого соедимен с вторым входом первого элемента И.

Изобретение относится к нейрокибер- нетике и может быть использовано в модельных экспериментах при изучении некоторых функций нервной системы, а также как функциональный элемент в системах искусственного интеллекта. Целью изобретения является повышение достоверности моделирования нейронов путем вопроизведе- ния взаимодействия аксонных и соматических спайков. Для этого в состав известного устройства вводят два триггера 7 и 17, генератор 9 импульсов, два элемента И 8 и 18, два элемента ИЛИ 10 и 16, элемент 13 задержки, два формирователя 11 и 15 спай- ков. Дополнительно введенные элементы, соединенные предложенным образом, позволяют учитывать и воспроизводить более тонко физику нейронных процессов, происходящих в нервных клетках, имеющих важное значение в функционировании нервной системы в целом. 1 ил. сл с