Устройство для моделирования адаптивного нейроно-глиального комплекса Советский патент 1980 года по МПК G06G7/60 

Изобрегениа относится к устройствам для моделирования элементов нервной системы и может быть использовано в нейрокибернетике, в адаптивных информа1ионно-угравляющик системе х. Известно устройство для моделирования адаптивного нейрона, соаержащое регулируемый источник энергии, функциональный преобразователь, блок пространственно-Фременного сумк:ирования, каналы тормозящего сигнала, каналы возбуждающего сигнала, каналы оптимиаируемогэ сигнала и блок управления коэффициентами чувствительности y.j| Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройства для моделирования нейрона, содержащее последовательно соединенные блок сравнения, преобразователь напряжения в частоту, первый и второй интеграторы, блок управления синапсом,формирователь выходных импульсов, блоки МО- делирозания синапса, сумматор, ватель порога и источник питания Недостатком устройства является не- поянота моделировачия свойств реального нейрона, в частности известные уст ройства не учитывают роль глиальнь к клеток, функционально связ;.шых с нейронами, осуществляющих в нейрон поток богатых энергией метабс :итов, поддерживающих нейрон в соответствующем энергетическ ь: состоянии, отсюда не J итывJoтcя пластические перестгюйки и изменение функционал-чого состояния самого нейро а и комплекса нейрон-глия в зависимости от гуморального воздействия среды. Кроме того, описанные устройства не воспроизводят апериодические гфоцессы, протекающие в синапсах, связанные с выделением и транспортом передатчиков в синаптической щели реального нейрона. Неучет выше описанных свойств реального элемента нервной системы снижает функцьональные возможности сиетем, построенных из устройств, моделирующих эти элементы. Цель изобретения - увеличение.точности моделирования реальных элементов нервной системы и расширение функцио- нальных возможностей устройств для их моделирования. Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования адаптивного нейроно-глйального компйекса, содержащее блоки моделироввния синапса, выходы которых подключены к группе входов блока пространственно-временного суммирования, формирователь порога, формирователь выходных импульсов, выход которого является выходом устройства, введены управляемый генератор импульсов, ключ, апериодическое звено, блок задания начальных синаптических весов и блок моделирования глиального элемента, первый выход которого через апериодическое звено подключен к первому входу ключа, выход которого соединен со входом формирователя выходных импульсов, выход формирователя порога подключен ко входу блока пространсгвенно-временного суммирования, выход кото рого соединен со входом управляемого генератора импульсов, выход которого подключён ко второму входу ключа, второй выход блока моделирования глиально го элемент& соединен с первыми входами блоков моделирования синапса, вторые входы которых являются группой входов устройства, выход формирователя выходных импульсов подключен к первому входу блсжа моделирования глиального элемента, второй вход которого является входом устройства, выход блока задания начальных синаптических .весов соединен с третьими входами блоков моделирования синапса. А также тем, что блок моделирования синапса содержит ключевые элементы, интегратор и апериодическое звено, выход которого является выходом блока моделировааИяг синапса, выход первого ключевого элемента подключен к первому входу интегратора, второй вход которого является третьим входом блока моделирования синапса, выход интегратора соединен с первым входом второго ключевого элемента, выход которого под ключен ко входу апериодического звена, первый вход пе|маого ключевого элемента является первым входом блока моделирования синапса, вторым входом которого явлшотся вторые входы ключевых элемен тов. А также тем, что блоа моделирован глиальиого элемента содержит преобразо ватель частоты в напряжение, апериодическое звено, дифференциальный усилитель, элементы И-НЕ и элементы НЕ, инверсные выходы первого и второго из которых подключены ко входам первого элемента И-НЕ, инверсный выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, инверсный выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко входу третьего элемента НЕ соответственно, инверсный выход третьего элемента НЕ соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого является вторым выходом блока моделирования глиального элемента, выход преобразователя частоты в напряжение подключен ко входу первого элемента НЕ и к первому входу третьего элемента И-НЕ соответственно, выход которого соединен со вторым входом второго элемента И-НЕ, вход преобразователя частоты в напряжение является первым входом блока моделирования глиального элемента, вторым входом которого являются вход второго элемента НЕ и второй вход третьего элемента И-НЕ. . На чертеже представлена функциональная схема устройства для моделирования адаптивного нейроно-глиального комплекса. Входные сигналы 1 поступают на блоки 2 моделирования синапса, который содержит последовательно соединенные первый ключевой элемент 3, интегратор 4, второй ключевой элемент 5 и апериодическое звено 6. Интегратор 4.является элементом памяти устройства. Первоначально на нем устанавливается исходное значение синаптического веса от блока 7 задания начальных синаптнческих весов. Каждый приходящий входной импульс открывает ключевой элемент 5 и сигнал с интегратора 4 через апериодическое звено 6 поступает на выход блока 2. Одновременно входной сигнал открывает ключевой элемент 3 и на интегратор 4 поступает регулирующий сигнал, изменяющий синаптический вес элемента. Интегратор 4 интегрирует свои входные сигналы в пределах наложенных ограничений, таким образом, имекзтся максимальное и минимальное значение синаптического веса. Возбуждающие и тормозные блоки моделирования синапса отличаются TtwibKO знаком первоначально установленного от блока 7. Все блоки 2 моделирования синапса своими выходами подсоедицены к входам

блока 8 просгранственно- ременного суммирования нейронного элемента 9. Кроме блока 8 пространственно-временного суммирования нейронный элемент 9 содержит формирователь 10 порога, управляемый генератор 11 импульсов, ключ 12, апериодическое звено 13 и формирователь 14 выходных импульсов, В формирователе rtopora 10 устанавливается значение порога нейронного элемента. В блоке 8 пространственно-временного суммирования сумма приходящих синаптических сигналов сравнивается с значением порога, и при превышении последнего на выходе блока 8 пространственно-временного суммиро- вания проявляется потенциал, поступающий на вход управляемого генератора 11 импульсов, который генерирует импульсы с частотой, пропорциональной входному сигналу, выход апериодического звена 13 выполняющие функции блока преобразоваНИН энергии через ключ 12, подключен к входу формирователя 14 выходных импульсов, выход которого является выходом 15 всего устройства.. Выходной сигнал нейронного элемента поступает на блок 16 моделирования глиального эле-, мента, который содержит блок 17 преобразования частоты в напряжение, блок 18 источника метаболитов, выпол- ненный в виде апериодического звена, дифференциальный усилитель 19 и логический блок 20. Сигнал с выхода нейронного элемента 9 поступает на вход блсжа 17 преобразования частоты в напряжение . Сигнал с выхода блока 17 поступает на один из входов логического блока 2О. Напряжение 21, иммит.ирующее гуморальное воздействие среды поступает на второй вход логического бло- ка 2О и на вход 18 источника метаболитов. Логический блок 2О, на вход которого поступает напряжение 21, имитирующее гуморальное воздействие среды и . напряжение с выхода блока 17 преобразования частоты в напряжение, состоит из трех элементов, выполняющих логическую функцию НЕ и трех элементов, выполняющих логическую функцию И-НЕ. Оба входных сигнала поступают на входы

третьего элемента И-НЕ 22 и через первый 23 и второй 24 элементы НЕ на входы первого элемента И-НЕ 25. &Ь1 ходы первого и третьего элементов И-НЕ поступают на входы второго элемента . Выход второго элемента И-НЕ 26 является первым выходом логического блока 2О, на котором реализуетсяотносительно ее входных сигналов, логическая функция эквивалентность, и соединяется с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 19. Кроме того, сигнал с выхода второго элемента И-НЕ поступает на элемент НЕ 27, выход которого является вторым выходом логического блока 20 и реализует относительно ее входных сигналов логическую функцию сложение по mod 2 Сигнал с выхода третьего элемента НЕ 27 поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 19. Сигнал с выхода 28 дифференциального усилителя 19 поступает на блоки 2, изменяя веса тех синаптических элементов, на которые приходит входной сигнал 1. Существенно, что согласно схеме на выходе дифференциального усилителя 18 появляется положительный потенциал, увеличивающий веса связей возбуждающих синаптических элег;1ентов и уменьшающий веса связей тормозных синаптических элементов только, когда активность нейронного элемента совпадает с поступлением напряжения 21, имитирующего гуморальное воздействие среды, и когда молчание совпадает с отсутствием напряжения 21. Наоборот, на выходе- дифференциального усилителя 19 появляется отрицательный потенциал, уменьшающий веса связей возбуждающих синаптических элементов и увеличивающий веса связей тормозных синаптических элементов только, когда активность нейронного элемента совпадает с отсутствием напряжения 21, и когда молчание нейрона совпадает с поступлением напряжения 21. Таким образом, устройство будет всегда стремиться изменить свою реакцию на поступающие входные сигналы за счет изменения синаптических весов, если эта реакция не подкрепляется напряжением, имитирующим гуморальное воздействие среды и стремится закрепить свою реакцию, если она им подкрепляется.

Реализация в устройстве для моделирования нёйроно-глиального комплекса таких свойств реальных биологических объектов, как свойства глиальных клеток, позволяет обеспечить нейроны потоками богатых энергией мб таболитов и осуществлять пластические перестройки синапти- ческих весов нейронов в зависимости от его активности и приходящего на комплекс нейрон - глия гуморального воздействия среды, а также моделирование процессов, связанных с выделением и транспортом передатчика в синаптической .щели, и расширяет функциональные воз-

можности систем, построенных с применением устройств, моделирующих элементы нзрвной систем..

Формула изобретения

1. Устройство цля моделирования. адаптивного нейронс-глиального комплекса, содержащее блоки моделирования синапса, выходы которых подключены к группе вкодоа блока пространственновременного с -ымирования, формирователь йорога, формирователь выходных импульсов, выход .оторого является выкодом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования и расширэння функциональ ;ых; возможностей за счзт учета пластических, перестроек сянаптических весов, в него введены управляемый генератор импульсов, ключ, апериодилесксе звено, блок зацантгй начальных: синаптических весов ь: б;шк моделирования глиального элемент-.; первый выход которого через ь :гриоцическое звано подключен к пер вому входу ключа, Bbsjsoa которого сое цйнен ее БХОЙОМ формирователя зыхо- кых импульсов, выхой фr/p r фoвaтeля порога подключен ко входу блока простран- стропно-временного суммирования, выхок которого еоецинен со входоь; управляе могз генератора импульсоа, еыхоа кото рого поа1№ючен ко второму входу ключа, второй блока моделирований глиал ного -элемента соединен с первымс вхо дами блоков мойелировання синапса, вто« рые входы которых звляютсй группой . входов устройства, выхоц формирователя BbisoaKbSX импульсов подключен к первому входу блока моделирования гляального &лемент-а, вхтд которого являе ся входом устройства, выкод блока заданна начальных сиааптическкх весов сое- Яйнен с третьими входак и блока модели- рования синапса,

2. Устройство по п. 1, отличающееся теМз что блок моделирова ния Синапса содержит ключевые элементы интегратор к апериодкческсе звено, выход которого является выходом блока моделирования синапса, выход первого ключевого элемента подключен к первому входу интегратора, второй вход которого является третьим входом блока моделирования синапса, выход интегратора соединен с первым входом второго ключевого элемента, ЕЫХОД которого подключен ко входу апериодического звена, первый вход первого ключевого элемента является первым входом блока моделирования синапса, вторым входом которого являются вторые входы ключевых элементов. : 3. Устройство по п. 1, О Т Л К Ч а ю щ е е с я тем, что блок моделирования глиальногс элемента содержит преобрезовагйль частоты в напряжение, апериодическое звэно, дифференциальный усилитель, элементы И-HF и элементы НЕ, инверсные выходы первого и второго на которых подключены ко входам первого элемента И-НЕ, инверсный выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, инверсный выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко входу третьего элемента НЕ соот- ветстЕенно, инверсный выход третьего элемента НЕ соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителЯ; выход которого является вторым выходом блока моделирования глиального лeмeнта, выход преобразователя частоты в напряжение подключен ко входу первого элемента НЕ и к первому входу третьего эле; герта И-НЕ соответствен о, выход .которого соединен со вторым входе i второго элемента И-НЕ, вход преобразовтеля частоты в непря {сениё является первым входом блока к;одблирования глиального элемента, вторым входом которого являются вход второго элемента НЕ и второй вход третьего элемента И-НЕ.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 5653О6, кл. G Об q 7/6О, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР N 512478, кл. Q 06 q 7/6О, 1974 (про .отип).