Устройство для моделирования нейрона Советский патент 1976 года по МПК G06G7/60 

1

Изобретение относится к устройствам для измерения и обработки электрических сигналов и предназначено для иснользования в качестве аналого-дискретного элемента обработки информации в системах распознавания образов, а также в предсказывающих устройствах, в частности в электронных системах автоматического управления и контроля состояния электро- и радиооборудования летательных аппаратов.

Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов, последовательно соединенные пороговый блок, генератор импульсов, блок дифференцирования и усилитель-формирователь выходных импульсов, и пространственно-временной сумматор, выход которого подключен к соответствующему входу генератора импульсов, а первый и второй входы соединены с выходами блока торможения и возбуждения, входы которых нодключены к выходам соответственно первого и второго блоков формирования входных сигналов.

Однако известное устройство не обеспечивает необходимой точности моделирования.

Предложенное устройство отличается тем, что, с целью увеличения точности моделирования, оно содержит блок моделирования адаптации, блок моделирования эффекта on, блок моделирования запоминания стимула и

блок моделирования эффекта off .и постактивационного усиления, входы которых подключены к выходал соответствующих блоков формирования входных сигналов, причем выходы блока моделирования адаптации и блока моделирования эффекта on соединены соответственно с третьим и четвертым входами пространственно-временного сумматора. Выходы блока моделирования запоминания стимула и блока моделирования эффекта off и нростактивационного усиления подключены к соответствующим входам генератора импульсов, а к другому входу блока моделировапия запоминания стимула пoдKv ючeп выход усилителя-формирователя выходных импульсов.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - статическая характеристика устройства.

На фиг. 1 обозначено: 1 - 4 - входы простанственно-временного сумматора, 5i - 5б - блоки формирования входных сигналов, 6 - блок .моделирования запоминания стимула, 7 - блок моделирования эффекта off и постактивационного усиления, 8 - блок торможения, 9 - блок возбуждения, 10 - блок моделирования адаптации, 11 - блок моделирования эффекта on, 12 - пространственно-временной сумматор, 13 - пороговый блок, 14 - генератор импульсов, 15 - блок

дифференцирования, 16 - усилитель-формирователь выходных импульсов, 17 - выходная клемма.

.На блоки формирования входных сигналов устройства поступают сигналы от других мо деяей нейрона или рецепторов. В блоках 5i- 5б осуществляется умножение поступающих с.игналов на некоторый коэффициент, значение которого изменяется в пределах О-1.

В пространственно-временном сумматоре 12 производится суммирование во времени и пространстве комбинации приходящих сигналов, причем сигналы, поступающие от бло-, ка возбуждения 9, способствуют возбуждению устройства. Сигналы с выхода блока торможения 8 оказывают на устройство тормозящее воздействие и препятствуют его возбуждению.

Сумма входных сигналов с пространственно-временного сумматора 12 поступает на генератор импульсов 14, моделирующий аксонный холмик биологического нейрона. Если сумма возбуждающих и тормозящих сигналов меньше установленного порога чувствительности, то на выходе генератора импульсов сигнал отсутствует (устройство для моделирования нейрона не вобуждено). При надпороговом возбуждении устройства, когда сумма возбуждающих и тормозящих сигналов превышает порог его чувствительности, генератор импульсов осуществляет преобразование накапливаемой на пространственно-временном сумматоре суммы входных сигналов в частоту выходной импульсации генератора импульсов подобно аксонному холмику биологического нейрона.

Непрерывное изменение порога чувствительности устройства в щироких пределах от бесконечности (режим полной нечувствительности) до минимального значения (режим максимальной чувствительности с предельной частотой, определяемой периодом рефрактерности модели аксонного холмика) осуществляется пороговым блоком 13.

При возбуждении устройства импульсы с генератора 14 дифференцируются блоком 15, который служит для управления работой усилителя-формирователя выходных импульсов 16. При поступлении импульсов с дифференцирующего блока усилитель-формирователь выходных импульсов усиливает их и формирует па выходной клемме 17 импульс, близкий по форме к импульсу ритмики биологического нейрона. Моделирование периодов абсолютной и относительной рефрактерностей осуществляется за счет переходных процессов в цепях усилителя-формирователя выходных импульсов.

Период абсолютной рефрактерности определяется временем формирования одиночного импульса на выходе усилителя-формирователя 16, а период относительной рефрактерности - временем восстановления этого усилителя.

Статическая характеристика устройства (на фиг. 2) воспроизводит статическую характеристику биологического нейрона. В зависимости от настройки порога устройства и предыстории его возбуждения устройство осуществляет умножение входной частоты импульсов.

Использование блока дифференцирования 15 позволяет также изменять в широких пределах наклон линейных участков статической характеристики за -счет обратной связи между выходом и входом устройства без потери устойчивости его работы. Свойство адаптации биологического нейрона, определяемое взаимодействием процессов возбуждения и торможения на мембране, достигается за счет включения в схему блока 10 моделирования адаптации. Приходящий на блок моделирования адаптации возбуждающий (тормозящий) сигнал запускает одновременно тормозящий (возбуждающий) процесс, который развивается по экспоненциальному закону и через определенный промежуток времени компенсирует возбуждающий

(тормозящий) сигнал. Изменяя параметры

блока моделирования адаптации, можно в

широких пределах регулировать время и

глубину адаптации.

Блок моделирования on вызывает реакцию устройства на появление или увеличение сигнала, подаваемого с блока формирования входного сигнала. Эти моменты времени устройство отмечает генерацией пачек импульсов, длительность которых зависит от

параметров и настройки блока моделирования эффекта on.

При подаче сигнала с блока Ь через блок 7 устройство генерирует пачки импульсов в моменты времени, соответствующие началу

уменьщения или исчезновения анализируемого сигнала, при этом моделируется эффект о// биологического нейрона. При соответствующей настройке блока 7 в устройстве моделируется свойство постактивационного усиления, которое заключается в постепенном повышении частоты выходных импульсов устройства после подачи через блок 7 постоянного по уровню сигнала. Время и глубину постактивационного усиления можно регулировать изменением параметров блока 7.

Блок 6, имеющий два входа, моделирует в устройстве свойство кратковременного запоминания стимула при длительном его воздействии и постепенного забывания его при

выключении стимула. На входы блока 6 сигналы поступают как с выходной клеммы 17, так и непосредственно с блока формирования входных сигналов 5i. При появлении сигнала хотя бы на одном

из входов блока 6 на его выходе появляется сигнал, нарастающий по экспоненциальному закону. Этот сигнал поступает на вход генератора импульсов 14 и поддерживает частоту импульсации на выходе устройства. При

мгновенном отключении сигналов на входе

ycTpoftctBa частота импульсадии на его выходе уменьшается по экспоненциальному закону.

Время запоминания и забывания стимула можно изменять путем регулирования параметров блока моделирования запоминания стимула.

Формула изобретения

Устройство для- моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов, последовательно соединенные пороговый блок, генератор импульсов, блок дифференцирования и усилитель-формирователь выходных импульсов, и пространственновременной сумматор, выход которого подключен к соответствующему входу генератора импульсов, а первый и второй входы соединены с выходами блоков торможения и возбуждения, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго блоков формирования входных сигналов, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности моделирования, оно -содержит блок моделирования адаптации, блок моделирования эффекта on, блок моделирования запоминания стимула и блок моделирования эффекта off и постактивационного усиления, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования входных

сигналов, причем выходы блока моделирования адаптации и блока моделирования эффекта on соединены с третьим и четвертым входами пространственно-временного сумматора, выходы блока моделирования запоминания стимула и блока моделирования эффекта off и постактивационного усиления подключены к соответствующим входам генератора импульсов, а к другому входу блока моделирования запоминания стимула подключей выход усилителя-формирователя выходных импульсов.

ы-