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

(1) 4676407/14

(22) 11.04.89

(46) 30.04.91. Бкш. If 16

(71)уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе

(72)А.В. Савельев, Н.А. Савельева, А.А. Колесников и А.Г. Жуков

(53)681.333(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР V 963003, кл. G 06 G 7/60, 1981.

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА

(57)Изобретение относится к устройствам медицинской техники и может быть использовано в частности при исследовании нервной системы методами моделирования. Пель изобретения повышение достоверности моделирования путем воспроизведения реакции медиатора при специЛических видах реакции нейрона. Поставленная цель достигается гем, что в известное устройство для моделирования нейрона дополнительно введены первый преобразователь 14 частоты в напряжение, компаратор 15, второй преобразователь 16 частоты в напряжение, релейный элемент 17. Предложенное соединение дополнительно введенных элементов позволяет воспроизводить тонкие нейроЛизнологичес- кие механизмы ответов реальных биологических нейронов и расширить функциональные возможности устройства. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

с

$

31645973

Изобретение относится к устройствам едицинской техники и может быть исользовано, в частности, при исслеовании нервной системы методами моелирования „

Цель изобретения - повышение дотоверности моделирования путем восроизведения реакции медиатора при пецифических видах реакции нен10

ме ди не ти ме зв ки ро на гд га зд на 1 вх вх со вы сб и ч к п л в -Д вх на зн вы ст ри ра 14 вы ры но же ну ра ци во им мо но пр ст ра ге те па 16 ко пр сл та ро ма

рона на внешнюю стимуляцию,,

На чертеже изображена сЪункциональ- ная схема устройства для моделирования нейрона.

Устройство для моделирования нейрона содержит блоки 1 моделирования синапсов, каждый из которых состоит из согласующего элемента 2 с последовательно соединенными элементом з задержки и масштабирующим элементом 4 аддитивный сумматор 5, блок 6 моделирования вызванных постсинаптических потенциалов (ВПСП), состоящий из первого 7, второго 8 динамических звеньев, ключа 9 и второго сумматора 10, элемент 11 сравнения, блок 12 задания порога, формирователь 13 выходных импульсов, первый преобразователь 14 частоты в напряжение, компаратор 15, второй преобразователь 16 частоты в напряжение и репейный элемент J7,

Устройство работает следующим образом.

На синаптические входы блоков 1, которыми являются входы согласующих элементов 2, поступают входные возбуждающие и тормозящие сигналы, -которые задерживаются в элементах 3, масштабируются по амплитуде в элементах 4, поступают на входы сумматора 5 и суммируются в нем с учетом знака. Суммарный сигнал поступает на вход блока 6 ВПСП, т.е. на входы первого 7 и второго 0 динамических звеньев. В исходном состоянии ключ 9 замкнут (при нуле на управляющем входе), в связи с чем оба выхода звеньев подключены к входам второго сумматора 10. Динамические звенья 7 и 8 обеспечивают временное суммирование поступающих с выхода сумматора 5 сигналов и преобразование их в вызванные постсинаптические потенциалы, причем параметры динамических звеньев идентифицируются на реальном объекте так, что динамика этого преобразования для звена 7 соответствует динамике ВПСП ацетилхолинового медиатора, а для звена 8 - динамике ВПСП, вызванных

0

5

0

5

0

0

5

0

медиатором нехолинергического типа, динамика преобразования в котором несводима к динамическим характеристикам высвобождения холинергического медиатора, т.е. к характеристикам звена 7, Сигналы с выходов динамических звеньев 7 и 8, суммируясь во втором сумматоре, поступают с его выхода на первый вход элемента 11 сравнения, где сравниваются с напряжением порога, поступающим с выхода блока 12 здания порога и, если они превышают напряжение порога, на выходе элемента 11 сравнения появляется разность его входных напряжений, поступающая на вход формирователя 13 выходных импульсов, генерирующего спайк. При этом выходной импульс поступает на входы сброса динамических звеньев 7 и 8 и сбрасывает вызванные постсинапти- ческие потенциалы путем разряда их конденсаторных элементов. Процессы повторяются, и на выходе формирователя 13 наблюдается импульсная последовательность спайков.Кроме того,после- -Диьательноетьспайков поступает на вход преобразователя 14 частоты в напряжение, где выделяется среднее значение текущей частоты следования выходных спайков. Это напряжение поступает на вход компаратора 15, генерирующего прямоугольный импульс всякий раз, корда напряжение с выхода блока 14 становится равным нулю. Если на выходе устройства происходит непрерывная генерация спайков (с постоянной или изменяющейся частотой), напряжение на выходе блока 14 не равно нулю и импульсов на выходе компаратора 15 не наблюдается. Если же стимуляция происходит таким образом, что приводит к генерированию нейроном пачек импульсов с чередующимися периодами молчания, напряжение, пропорциональное частоте этих импульсов на выходе преобразователя 14, периодически достигает нуля, что приводит всякий раз к срабатыванию компаратора 15 и генеращги им определенной последовательности импульсов, которые поступают на вход второго преобразователя 16 частоты в напряжение, на выходе которого в результате наблюдается напряжение, пропорциональное частоте следования этих импульсов. При достаточной частоте пачек разрядов нейрона начиная с определенной максимальной величины интервала молчания

между пачками напряжение, поступающее с выхода второго преобразователя 16 на вход релейного элемента 17, превышает порог срабатывания последнего и на его выходе возникает сигнат i. Это приводит к размыканию ключа 9„ Преобразование суммарного сигнала синаптических входов с выхода сумматора 5 в ВПСП производится только звеном 8, моделирующим динамику не- холинергическкх механизмов экэоцито- за. Параметры звена идентифицируются по конкретному биологическому объекту в данном режиме стимуляции. При пере- ходе к непрерывной стимуляции (интервал между пачками сокращается до некоторого минимального, соответствующего разрешающей способности устройства) вновь включается звено 7 замыканием ключа 9 под действием нулевого сигнала с выхода релейного элемента 17, что соответствует включению холи- нергических механизмов экзоцнтоза. Устройство возвращается в исходное состояние о

Формула изобретения

1. Устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки моделирования синапсов, состоящие из последовательно соединенных согласующих элементов, масштабирующих резисторов и элементов задержки, выходы которых являются выходами блоков мод лировася входы согласующих элементов, аддитивный сумматор, блок моделирования вызванных постсинаптических потенциалов, элемент сравнения, блок задания порога и (Ьормирователь импульсов, причем выходы блоков моделирования синапсов соединены с входом аддитивного сумматора, выход которого соединен с первым входом блока моделирования вызванных постсинаптических

0

0

5

0

потенциалов, выход которого соединен с пепвыи ьходом B.TWMT. сравч ния, выхо; которого соединил с вхгцгм формирователя импульсов ч блокам эгдагия порога, выхол которого соегннен с вторым входлм элемента срат., выход формирователя импульсов является выходом устройства к соединен с вторым входом блока моделирования вызванн-дх постсинамтических потенциалов, о т- личающееся тем, что, с целью повышения достоверности моделирования путем воспроизведения реакции медиатора при спел;пфических видах реакции нейрона на внешнюю стимуляцию, в чего введены последовательно сое- дикеннуе первый преобразователь час- тоты в напряжение, компаратор, второй преобразователь частоты в напряжение, релейный элемент, вход преобразователя частоты в напряжение соединен с выходом формирователя вы- хопных импульсов, а выход релейного элемента соединен с третьим входом блока моделирования вызванных постсинаптических потенциалов.

2. Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что блок моделирования вызванных постсинаптических потенциалов состоит из первого

сумматора, причем входы динамических звеньев являются первым входом блока моделирования вызванных постсннапти- ческих потенциалов, выход первого динамического звена соединен с первым входом сумматора через ключ, а выход второго динамического звена соединен с вторым входом сумматора, выход которого является выходом блока моделирования вызванных постсинаптических потенциалов, входы сброса динамических звеньев являются вторым входом блока моделирования постсинаптических потенциалов, третий вход которого соединен с управляющим входом ключа.