Устройство для моделирования нейрона Советский патент 1981 года по МПК G06G7/60 

(S) УСТРОЙСТВО для МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙР.ОНА

I

Изобретение относится к аналоговому моделированию и предназначено для физиологических и биофизических экспериментов при изучении явления гиперполяризации нейтронов в формировании счэганизации нейронных сетей и их работы. Кроме того, устройство может найти применение в формировании адаптивных нейронных процессов, в основе которых лежит переменность порога возбуждения и гиперполяризация.

Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее источники входных импульсов и сумматор, выход которого через последовательно соединенные схему сравнения и преобразователь напряжения в частоту подключен к блоку формирователя выходных импульсов tH.

Недостаток данного устройства сравнительно низкая точность.

На более близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для моделирования нейрона.

содержащее преобразователи частоты в напряжение, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого через последовательно соединенные схему сравнения и преобразователь напряжения в частоту подключен к блоку формирователя выходных импульсов г2.

Недостатками известного устройства являются постоянство порога возбужtoдения и частичная потеря информации на выходе, так как нельзя точно определить, за счет чего происходит изменение частоты на выходе: за счет активности возбуждающих или тормозяISщих входов.

Цель изобретения - повышение точности моделирования за смет учета свойств гиперполяризации и переменности порога возбуждения нейрона.

20

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первую группу преобразователей частоты в на пряжение, выходы которых подключены к 3 соответствующим вхрдам первого сум матора, схему сравнения и преобразователь напряжения в частоту, выход которого через формирователь выходных импульсов соединен с выходом уст ройства, введены ключи, два преобразователя частоты в напряжение, второй сумматор, два интегратора и вторая группа преобразователей частоты в напряжение, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соеди нен со входом первого ключа и входо первого интегратора, выход которого подключен к выходу первого ключа и первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с управляющим входо второго ключа, выход первого сумматора подключен ко входу второго интегратора и входу третьего ключа, вы ход которого соединен с выходом второго интегратора, вторым входом схемы сравнения и входом второго ключа, выход которого подключен ко входу преобразователя напряжения в частоту, управляющие входы первого и трет его ключей соединены соответственно с выходами первого и второго преобразователей частоты в напряжение, входы всех преобразователей частоты в напряжение являются входами устройства. На чертеже представлена схема уст ройства. Предлагаемое устройство содержит первую группу преобразователей 1 час тоты в напряжение, первый сумматор 2 схему 3 сравнения, преобразователь напряжения в частоту, формирователь 5 выходных импульсов, вторую группу преобразователей 6 частоты в напряжение, второй 7 сумматор, интеграто ры 8 и 9, ключи 10-12, преобразователи 13 и Т частоты в напряжение. Последовательно ключам 11 и 12 введены сопротивления, равные по ве личине входному сопротивлению соответствующего интегратора. Устройство работает следующим об разом. На входы преобразователей 1 частоты в напряжение сигнальных входов и входы второй группы преобразовате лей 6 частоты в напряжение поступаю сигналы, с зстотами следования импульсовIf , f(j, . .,, f, После преобразования в напряжение происходит суммация в соответствую щих сумматорах 2 и 7 -Пjsrrtи,- и,; и р и. JsA На выходах интеграторов 8 и 9 напряжение соответственно равно Uj. -a iu-Ht; U4 , где a, a - соответствующие характеристики интегратора 8 и интегратора 9Напряжение с выхода интегратора 8 поступает на вход схемы сравнения, вес которого равен в, вес другого входа схемы сравнения, на который подается напряжение с выхода интегратора 9. равен с. Если ., то на выходе схемы сравнения 3 появляется напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа Ю, нормальное положение которого закрытое. При открытии ключа 10 напряжение с выхода интегратора 8 поступает на вход преобразователя k в частоту и затем импульсы, частота следования которых пропорциональна напряжению, поступают на вход формирователя 5 выходных импульсов. В работе устройства используется память реального интегратора, который выполнен на операционном усилителе.- Если на входы преобразователей 6 сигналы поступают раньше, чем на входы преобразователей 1, то на выходе интегратора 9 образуется напряжение, которое, поступая на вход схемы сравнения 3. создает модель гиперполяризации нейрона. Для возбуждения модели теперь необходимо, чтобы интенсивность подачи сигналов на входы преобразователей 1 была выше, или же, чтобы на входы преобразователей 6 сигналы прекратили свое поступление. Во втором случае напряжение на первом входе схемы-3 сравнения снижается по мере разрядки конденсатора интегратора 9 т.е. время гиперполяризации пропорционально памяти интегратора. Ключ 10 находится в закрытом состоянии до тех пор, пока напряжение на втором входе схемы 3 сравнения не достигает пороговой, в данном случае снижающейся, величины. При работе устройства порог может меняться и в режиме открытого положения ключа 10. В этом случае повышение порога за счет сигналов на входах преобразователей 6 приводит к тому, что ключ 10 переходит в закрытое положение и на выходе формирователя S исчезают сигн лы в момент, когда пороговое напряже ние достигает величины рабочего напряжения. В этом случае частота импульсов в конце последовательности н выходе формирователя 5 несет информацию о величине изменившегося порога. Минимальная частота следования импульсов на выходе формирователя 6 в выходной поспедовательности несет информацию о начальной величине порога. При подаче напряжения на управляю щий вход ключа 11 с выхода преобразователя 13 частоты в напряжение создается модель глубокой гиперполяризации нейрона. В этом случае сигналы на выходе устройства появляются лишь только в том случае, если ., т.е. на сигнальных входах устройства интенсивность подачи сигналов достигает величины, соответствующей созданному на первом входе схемы сравнения пороговому напряжению. В этом случае пороговое напряжение создается в результате пространственно-временной суммации сигналов на входах преобразователей 6 частоты в напряжение, а напряжение на втором входе схемы 3 сравнения - только пространственной суммацией сигналов на входах преобразователей 1 частоты в напряжение. При подаче сигналов на вход преобразователя 1Ц частоты в напряжение пороговое напряжение зависит на этот раз только от пространственной суммации сигналов с входов преобразователей 6 частоты в напряжение, а напряжение на втором входе схе мы сравнения - от пространственновременной суммации сигналов с сигналь ных входов. При одновременной подаче сигналов на входы-Т1реобразователей 13 и Н час тоты в напряжение происходит простран ственная суммация информативных сигналов, подаваемых на входы преобразователей 1 частоты в напряжение, порог при этом определяется пространственной суммацией сигналов, подаваемых на входы преобразователей 6 частоты в напряжение. Наличие в устройстве кратковременной памяти (память реального интегратора) , тормозящих и возбуждающих воздействий, легкость перестройки его работы в любой из вышеописанных режимов, способность накапливать подпороговые возбуждающие воздействия, а также тормозящие, позволяет использовать устройство в моделях нейронг ных сетей с перестраиваемыми режимами работы. В работе устройства тормозящие воздействия не влияют непосредственно на частоту следования ммпульсов на его выходе, но определяют- величину порвга, при этом порог устройства не ус танавливается постоянным, а меняется пропорционально величинам тормозных сигналов и времени их воздействия. При прекращении поступления тормозных сигналов порог начинает снижаться, но не падает мгновенно, как это имело бы место, если бы в устройстве отсутствовал второй интегратор. Все это обусловливает инерционность в работе устройства. Именно такой инерционностью обладают реальные нейроны и нейронные сети. Вполне вероятно, что инерционность в работе нейронов и нейронных сетей не является недостатков их, а необходимым условием для пластической перестройки их работы. Такая инерционность в работе устройства обеспечивает образование размытых интервалов включения и выключения, что в простых системах, возможно и является недостатком, однако в сложных и очень сложных системах такая размытость временных интервалов включения и выключения может способствовать большей пластичности перестройки и большей точности образования необходимых структур сети. Это объясняется тем, что работа большой сети, состоящей из множества элементов, всегда сопровождается возникновением закономерной в этом случае флуктуацией. Если при этом элементы сети построены жестко и не имеют известной инерционности, то общая флюктуация неизбежно приводит к сбою работы, особенно в режимах перестройки. В условиях же размытого режима работы каждого элемента после известных обусловленных перестройкой колебаний в сети легко устанавливается новое динамическое равновесие, соответствующее новому заданному режиму работы. Изучение таких систем, построенных на размытых временных режимах, и выявление их возможностей может дать основание к новому подходу в понимании значения гиперполяризации мем