Устройство для моделирования адаптивного нейрона Советский патент 1980 года по МПК G06G7/60 

Изобретение относится к области моделирования живых организмов и их подсистем и предназначено для испол зования в бионике - в частности,; при создании систем искусственного интеллекта и управляющих систет/i роботов . Известно устройство для моделиро вания, адаптивного нейрона, содержащее су7 матор, последовательно соединенные блок пространственно-временного суммирования, первый функци нальный преобразователь, блок экстремального регулирования, блок формирования уровня дисбаланса энергии второй и третий функциональные прео разователи 1 . Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретению является устройство для моделирования адаптивного нейрона, содержащее блок пространственно-временного сум мирования, выход которого подключен к первому входу первого функционал ного преобразователя и к входу блок формирования уровня дисбаланса энер гии, выход блока формирования уровня дисбаланса энергии соединен с первым входом блока вы гисления целевой функции оптимизации, первый выход которого подключен к первому входу первого блока оптимизации, выход первого функционального преобразователя является выходом устройства и соединен с первым входом регулируемого источника энергии, первый выход которого подключеМ ко второму входу первого функционального преобразователя 2. Эти устройства не обеспечивают связи регуляторных механизмов чувствительности к входным воздействиям, осуществляемых изменениями концентраций кальция путем его высвобождения из тигроида, с регуляторными механизмами выходной активности через перистальтические изменения размеров сомы и аксонного холмика. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем воспроизведения связи регуляторных механизмов чувствительности к входным воздействиям с регуляторными механизмами выходной активности. Указанная цель достигается тем/ что в устройство введены второй функциональный преобразователь, второй блок оптимизации и И блоков формирования входных сигналов, первые выходы которых подключены к соответствующим входам блока простран ственно-временного суммирования, вьлход которого соединен со вторым входом регулируемого источника энер гии, второй выход которого подключен к первому входу второго функцио нального преобразователя, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему и четверт му входам первого функционального преобразователя, выход которого сое динен со вторым входом блока вычисления целевой функции оптимизации, второй выход которого подключен к первому входу второго блока оптимизации, выход первого блока оптимиза ции соединен со вторым входом второ го функционального /преобразователя, третий и четвертый выходы которого подключены к второму и третьему вхо дам второго блока оптимизации, четвертый вход которого соединен с третьим выходом регулируемого источ ника энергии, третий вход которого подключен к выходу блока формирования уровня дисбаланса энергии, выход которого соединен с третьим входом второго функционального преобразователя, пятый выход которого подключен к первым-входам п блоков формирования входных сигналов, втор выходы которьлх объединены и подключ ны ко второму входу первого оптимизатора, выходы которого соединены со вторьми входами п блоков формиро вания входных сигналов, третьи входы которых являются входами устройства. На чертеже изображена блок-схема устройства. Оно содержит п входов 1 п блоков формирования входных сигналов 2, второй блок оптимизации 3, блок 4 пространственно-временного суммирования, блок 5 вычисления целевой функции оптимизации, блок 6 формирования уровня дисбаланса энер гии, регулируемый источник энергии второй функциональный преобразователь 8, первый блок оптимизации 9, первый функциональный преобразователь 10, выход 11.Блок 2 представляет, собой функциональный преобразователь, реализующий зависимости: .( -, .СФ(.). ,.u.ЧгД-ф(ш. - эффективное значение . 1-го входного воздействия;,p,-.e(, -i-e входное.воздействие; -оператор выпрямления (пер вый интеграл функции Хэви сайда); -коэффициенты-; ji - параметр коэффициентов чувствительности синапсов; в - оператор интегрирования по I времени; iwA- - приращение коэффициента чувствительности i-ro синапса;ф - оператор интегрально дифференцирующего преобраэо,) вания; t - i-я составляющая потока энергии, затрачиваемого на функционирование многоканального оптимизатора. лок 4 простанственно-временного ирования реализует функцию: - суммарное входное воздейст вие; N - число синапсов; ; 1)- весовые коэффициенты. лок 5 вычисления целевой функоптимизации осуществляет преобвание;Q-FCdl--Fb), Q - целевая функция оптимизации энергетики нейрона; F - оператор инерционности; .р - уровень дисбаланса энергии; у - функциональный выход нейрона (мгновенная частота импульсации). лок б формирования уровня диснса энергии представляет собой еренцирующее звено. егулируемый источник энергии 7 ествляет функциональные преобрания:- 1 -ЬЕс -( ), Еф - энергия обеспечения функции нейрона (импульсной активности) ; ip. S - дискретное время; Jf - оператор пропорциональноинтегрального преобразования;EJ, - энергия изменения размеров сомы нейрона; f, энергия изменения размеров аксонного холмика. ункицональный преобразователь 8 изует зависимости: .СА 4. М 5. - производная по времени; Ч k-, . (d)-f , 3.- сомааксонный индекс; . ng - оператор релейного преобразования;лЬд, - приращение размера аксонного холмика; Ьд - размер аксонного холмика; he размер семы нейрона; Eg - оператор релейного преобразования о зоной нечувствительности шириной , Функциональный 10 преобразователь реализует зависимость: Ni4-(,)принцип работы устройства состоит в следующем. Через d-й вход 1 на i-й 6JIOK 2 поступает входное воздейс вие х - ; i-й блок 2, имея параметрами соответствующую величину приращения коэффициента чувствительности синапса . н общий для всех синапсов параметр коэффициента чувствительности (Ь , вырабатьтает эффективное значение информационного выхода Хдфф , а также энергетический выход ь . Изменения дсС.и Ъ реали зуют память блока 2, которая, таким образом, связывается с из.менениями чувствительности синаптических мембран (/ л. под влияни ем мембранотропных белков) и изменениями дисбаланса энергетики в ней роне ( р - под влиянием изменений внутриклеточных гращиентов концентр ции кальция) ., Информационные выходы блоко 2 суммируются в блоке 4 пространственно-временного суммирования, дава значение сумматорного генераторного потенциала сомы нейрона ; энергетические выходы кФ блоков 2 определяют интенсивность работы блока оптимизации 3 (т.е. величину его рабочего шага), изменяющего поисковым образом свой выход , чтоб минимизировать целевую функцию : cs.ir-((ErtC6 « t. где Д - коэффициент итерации; у - сценка градиента. Итеративный процесс (1) реализуется с помощью использования алго15итмов случайного поиска. Одним из аргументов функции Q является степень нарушения равнове сия энергетических процессов в соме нейрона d, которая оценивается в бл ке 6 формирования уровня дисбаланса энергии, другим аргументом является величина функционального вьохода у. Обе эти величины характеризуют степень нарушения равновесия энергетических процессов в нейроне. В регулируемом источнике энергии вырабатываются три потока энергии: энергия изменения размеров сомы EQ, энергия изменения размеров аксонног холмика Е и энергия обеспечения фу кционального выхода нейрона Еф. Эти потоки энергии используются в качес ве дополнительных настроечных параметров блоков, в которых потребляется соответствующая энергия. Так, в функциональном преобразователе 8 энергия Е определяет интенсивность изменений размеров сомы li и, как следствие, сомааксонного инденса блоке оптимизации 9 энергия Е задает величину его рабочего шага. В функциональном преобразователе 10 энергия Еф является параметром функции вычисления значения мгновенной частоты импульсной активности нейрона. Функциональный преобразователь 8 вырабатывает-значения величин, связанных с геометрическими размерами клетки: h и h соответственно диаметры сомы и аксонного холмика, сомааксонный индекс ПСА, г определяющий декремент распространения генераторного потенциала к триггерной зоне :нейрона,, и его производная параметр коэффициентов чувствительности синапсов fb . Блок оптимизации 9 вырабать1 вает значение приращения диг1метра аксонного холмика, также имея своей целью минимум функции G) : Axcs ir AxCsr Т) (р ii ( SQ() 2CS,) АХ191 (S19г,А Переменные h. и Ьд используются в алгоритме экстремального регулирования (сйноканальной оптимизации) для ограничения величины его рабо- чего шага. Морфологическим выражением механизма экстремального регулирования являются колебательные изменения агрегации митохондрий, сопровождающиеся активацией либо контактным угнетением их окослительного метаболизма. Функциональный преобразователь 1Q на основе учзта важнейших внутренних переменных модели Xji,Ejj, , и вырабатывает значение ее функционального (импульсного) ВЕлхода, Эта величина, таким образом, очень существенно зависит от переменных, характеризующих энергетику и внутреннюю структуру нейрона. Введение в устройство указанных блоков и соответствующих связей позволило воспроизвести совокупность наблюдаемых в цитохимических экспериментах особенностей поведения структурно- метаболических механизмов сомы нейрона, и в том числе функциональных изменений геометрических размеров сомы и аксонного холмика, связи регуляторных механизсов чувствительности к входным воз- . действиям, осуществляемыми изменениями концентрации кальция путем его высвобождения из тигроида, с регуляторными механизмами выходной активности через перистальтические изменения размеров сомы и аксонного холмика. Формула изобретения Устройство для моделирования адап тивного нейрона, содержащее блок про странственно-временного суммирования, выход которого подключен к первому входу первого функционального преобразователя и к входу блока формирования уровня дисбаланса энергии, выход блока формирования уровня дисбаланса энергии соединен с первым входом блока вычисления целевой функции оптимизации первый выход которого подключен к первому входу первого блока оптимизации, выход пер вого функционального преобразователя является выходом устройства и ;соединен с первым входом регулирйемого источника энергии, первый выход которого подключен ко второму входу первого функционального, преобразователя, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет воспроизведения связи регуляторных механизмов чувствительности к входным воздействиям с регуляторными механизмами выходной активности,в устройство введе второй функциональный преобразовател второй блок оптимизации и п блоков формирования входных сигналов, первые входы которых подключены к соответствующим входам блока пространственно-временного суммирования, выхЬд которого соединен со вторым входом регулируемого источника энер-гии, второй выход которого подключен к первому входу второго функционального преобразователя, первый И второй выходы которого подключены соответственно к третьему и четвертому входам первого функционального преобразователя, выход которого соединен со вторьм входом блока вычисления целевой функции оптимизации, второй выход которого подключен к первому входу второго блока оптимизации, выход первого блока оптимизации соединен со вторым входом второго функционального преобразователя, третий и четвертый выходы которого подключены к второму и третьему входам второго блока оптимизации, четвертый вход которого соединен с третьим .выходом регулируемого источника энергии, третий вход которого подключен к выходу блока формирования уровня дисбаланса энергии, выход которого соединен с третьим входом второго функционального преобразователя, пятый выход которого подключен к первым входам h блоков формирования входных сигналов, вторые выходы которых объединены и подключены ко второму входу первого оптимизатора, выходы которого соединены со вторыми входами П блоков формирования входных сигналов, третьи входы которых являются входами устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР № 553635, кл, G Об G 7/60, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР № 561198, кл. G 06 G 7/60,1975 (прототип).