Устройство для воспроизведения передаточной функции нервной клетки Советский патент 1981 года по МПК G06G7/60 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ

1

Изобретение относится к электротехническим устройствам и может быть применено в физиологии, кибернетике, медицине.

Известна модель нейрона, включающая в себя сумматоры, интеграторы, реле, контуры обратной связи l.

Недостатки этого устройства - невысокая точность получаемых параметров и узкий диапазон работы и получаеьФах параметров.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для воспроизведения передаточной функции нервной клетки, содержащее сумматор, выход которого соединен с,входом первого интегратора, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства и соединен с первым входом сумматора, второй и третий вхо.щл которого являются входами устройства. Кроме этого, устройство содержит два преобразователя и еще один контур нелинейной обратной связи C2l.

К недостаткам такого устройства следует отнести его сложность и громоздкость, узкий диапазон работы и получаемых параметров, невысокую их точность.

Цель изобретения - повышение точности воспроизведения передаточной функции.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее сумматор, выход которого соединен с входом первого интегратора, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом

10 устройства и соединен с первым входом сумматора, второй и третий входы которого являются входами устройства, введены блок умножения, инвертор и реле, обмотка которого подключена к

15 шине нулевого потенцигша и к выходу сумматора, выход сумматора соединен с первым входом блока умножения, выход которого подключен к четвертому входу сумматора, пятый вход которого

20 соединен с вторым входом блока умножения и с переключающим контактом реле, раэьмкающий контакт которого подключен к выходу первого интегратора и к входу инвертора, рыход которого

25 соединен с замыкающим контактом реле.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, иа, фиг. 2 графически отображен результаты 30 проверки работы устройства при разтГйчных значениях внешнего сигнала и параметров модели. Устройство состоит из сумматора первого и второго интегратора 2 и 3 инвертора 4,блока 5 умножения, реле 6 с контактной группой 7, входов 8 9 и выхода. Устройство работает следующим об разом. На вход 8 подают сигнал а в соот ветствии с которым на клетке устана ливается потенциал покоя. Сигнал б входе 9 соответствует величине внешнего раздражителя, действующего на клетку. На вход интегратора 2 поступает сигнал с сумматора 1. С интегратора 2сигнал поступает как на интегратор 3(откуда через контур обратной связи идет на вход сумматора), так и в прямом и обратном (инвертированном значении на вход сумматора 1 и на вход блока 5., где происходит умножение его на значение выходного сигнала сумматора 1, Полученное произведе ние поступает на вход сумматора. Изменение знака сигнала, поступающего с выхода интегратора 2 в контур обратной связи и на блок 5, происходит с помощью, реле 6 при достижении определенного значения сигнала на выхо де сумматора 1. На выход интегратор 3 подают начальное значение, равное величине потенциала покоя. Искомое значение потенциала на мембране нервной клетки снимают с выхода 10, Специфические особенности различных типов нервных клеток отражают путем изменения веса сигналов, посту на входы блоков. В частности вес сигнала, поступающего из блока 5 на вход сумматора, отражает возбудимость клетки. Снижение возбудимости выражается в том, что этот сигнал уменьшается, превращается в нуль и система начинает работать как обычная система второго порядка. Система приобретает свойства живой (возбудимой) системы при отличных от нуля значениях воздействия на общие свойства системы произведения сигналов, возникающих на выходе сумматора и nepsol o интегратора, когда она работает в соответствии с уравнением состояния живой системы: и; У р ру (---+г- - 1; (1) HO УО РО аУогде И - экстенсивный У - временной; Р - интенсивный параметр процес У Р - соответственно их максималь ные значения; а - параметр функционального со тояния системы. Применительно к системе,генерирующей злектрические сигналы, уравнение (1) может быть записано в виде . . --vRq,+2q,-v где q - величина заряда на емкости q - сила тока через сопротивление;q - скорость изменения силы тока;Z - индуктивность; Е - напряжение внешнего источника тока. Пример . Моделирование мотонейрона кошки. Принимают стандартные значения параметров мотонейгрона кошки Сс 3 , ,810 Ом и потенциал покоя ПП 0,07 ВД но замедляют течение времени на модели в 1000 раз, тогда уравнение (2) превращается в машинное вида- .7.V.t 3..01 .t,,t) где Е - сила внешнего раздражителя. Адекватно отражая свойства любых типов нервных клеток, находящихся в caNbix различных состояниях, устройство воспроизводит типичную реакцию стандартного мотонейрона ксяики при значениях а, приближающихся к 0,02, и при значениях Z в пределах 0,1-0,3. На фиг. 2а дано изменение во времени выходного сигнала модели под воздействием допорогового стимула. На оси абсцисс откладывается время в миллисекундах, на ОС i ординат - ответ в вольтах в выходе 10. Стрелками обозначены моменты включения гиперполяризукндего (+) и деполяризующегр (-) тока. Видно, что при подаче допорогового стимула ответ устройства соответствует ответу живой клетки. Если же стимул превышает установленное на модели критическое значение, характер реакции на включение стимула положительного знака и на выключение стимула отрицательного знака не изменяется, однако при выключении положительного стимула и при включении отрицательного появляется характерно я для живых клеток реакция по принципу Все или ничего , величина которой не зависит от стимула (фиг. 26). На фиг, 2в приведены результаты испытания воздействия на cиcтe y дополни ельных стимулов в различные этапы процесса возбуждения (моменты ноздействия обозначены стрелками). Нанесение сильного стимула в момент возбуждения не Дает никакого ответа (абсолютная рефрактерность), после чего на сильный стимул может появиться

слабый ответ (относительная рефрактерность) . На фиг. 2г дано следовой гиперполяриэации, возникающее при увеличении коэффициента Z, а на фиг. 2д- явление спонтанной активности, возникающее при уменьшении коэффициента а (увеличение веса сигнала, поступающего с блока умножения на вход сумматора). Из фиг. 2е видно, что при медленном возрастании стимула возбуждение возникает при большем уровне деполяризации, чем при быстром возрастании (явление адаптации).

Таким образом, предлагаемое устройство -характеризуют простота и доступность реализации и теоретической интерпретации, большая точность в работе (обеспечивается математическим подобием модели живой клетке) . Мате-.матическое подобие модели предполагает естественный характер ее функционирования, взаимодействия с внешними факторами и с подобными ей элементами, что открывает новые возможности- в познании сущности живого, лечении болезней, конструировании систем передачи информации и управления. Устройство позволяет моделировать генерацию электрических потенциалов любыми типами нервных клеток, находящимися в самых различных состояниях и подвергающихся самым различным воздействиям. Это обеспечивается тем, что предлагаемая модель основана не на результатах имитации работы конкретного объекта, а на основе конкретизации фундаментальной физиологической закономерности, которой подчиняются процессы жизнедеятельности.

Формула изобретения

Устройство для во.спроизведения передаточной функции нервной клетки, содержащее сумматор, выход которого соединен с входом первого интегратора, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства и соединен с-первым входом сумматора, второй и третий входы которого являются входами устройства, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности воспроизведения передаточной функции, в устройство введены блок умножения, инвертор и реле, обмотка которого подключена к шине нулевого потенциала и к выходу cyNwaTOpa, выход сумматора соединен с первым входом блока умножения, выход которого подключен к четвертому входу сумматора, пятый вход которого соединен с вторым входом блока умножения и с переключающим контактом реле, размыкающий контакт которого подключен к выходу первого интегратора и к входу инвертора, выход которого соединен с замыкающим контактом реле. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Антомонов Ю.Г. и др. Элементы теории нейрона. Киев, Наукова думка

1966.

2.Авторское свидетельство СССР № 152578, кл. G 06 G 7/60, 1962 (прототип).