устройство для моделирования нейрона

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА, содержащее формирователи входных сигналов, входы которых являются возбуждающими и тормозящими входами устройства, преобразователи частоты в напряжение, входы которых соединены с выходами формирователей входных сигналов, блоки задания коэффициентов, входы которых соединены с выходами преобразователей частоты в напряжение, первый и второй многовходовые и третий двухвходовый сумматоры, четвертый многовходовый сумматор и пятый сумматор с тремя входами, выходы блоков задания весовых коэффициентов, соответствующих тормозящим входам, соединены с входом первого многовходового сумматора, выходы блоков задания коэффициентов, соответствующих возбуждающим входам, - с входами второго сумматора и через пороговые элементы, число которых равно числу возбуждающих входов устройства, - с входами четвертого сумматора, выходы первого и второго сумматоров соединены с входами третьего сумматора, функциональный преобразователь с трапецеидальной амплитудной характеристикой, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, преобразователь напряжения в частоту, управляемый формирователь спайков, нелинейный элемент, первый инерционный элемент и масштабирующий усилитель, причем вход нелинейного элемента соединен с выходом третьего сумматора, а выход - с первым входом пятого сумматора, выход функционального преобразователя соединен с вторым входом пятого сумматора и входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого соединен с входом управляемого формирователя спайков, выход которого является выходом устройства, а управляющий вход его соединен с выходом пятого сумматора, третий вход которого подключен к выходу масштабирующего усилителя, вход первого инерционного элемента подключен к выходу четвертого сумматора, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности результатов моделирования, в него введены второй инерционный элемент, релейный элемент и переключатель знака, причем вход второго инерционного элемента соединен с выходом первого сумматора, выход подключен к входу релейного элемента, выход которого соединен с управляющим входом переключателя знака, вход которого соединен с выходом первого инерционного элемента, а выход - с входом масштабирующего усилителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано при исследовании нервной системы методом аналогового моделирования, а также в управляющих и интеллектуальных системах.

Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее формирователи входных сигналов, входы которых являются входами устройства, последовательно соединенные с ними входные преобразователи частоты в напряжение, выходы которых соединены с входами блоков задания коэффициентов, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого соединен с входом функционального преобразователя, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, выход которого является выходом устройства.

Недостатком известного устройства является низкая точность моделирования в связи с невозможностью воспроизводить пессимальные реакции нейронов, играющие существенную роль в их ритмике.

Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее формирователи входных сигналов, входы которых являются возбуждающими и тормозящими входами устройства, преобразователи частоты в напряжение, входы которых соединены с выходами формирователей входных сигналов, блоки задания коэффициентов, входы которых соединены с выходами преобразователей частоты в напряжение, первый и второй многовходовые и третий двухвходовый сумматоры, четвертый многовходовый сумматор и пятый сумматор с тремя входами, выходы блоков задания весовых коэффициентов, соответствующих тормозящим входам, соединены с входом первого многовходового сумматора, выходы блоков задания коэффициентов, соответствующих возбуждающим входам, соединены с входами второго сумматора и через пороговые элементы, число которых равно числу возбуждающих входов устройства, с входами четвертого сумматора, выходы первого и второго сумматоров соединены с входами третьего сумматора; функциональный преобразователь с трапецеидальной амплитудной характеристикой, вход которого подключен к выходу третьего сумматора; преобразователь напряжения в частоту, управляемый формирователь спайка, нелинейный элемент, инерционное звено и масштабирующий усилитель, причем вход нелинейного элемента соединен с выходом третьего сумматора, а выход - с первым входом пятого сумматора, выход функционального преобразователя соединен с вторым входом пятого сумматора и входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого соединен с входом управляемого формирователя спайков, выход которого является выходом устройства, а управляющий вход его соединен с выходом пятого сумматора, третий вход которого подключен к выходу масштабирующего усилителя, вход которого соединен с выходом инерционного звена, выход которого подключен к выходу четвертого сумматора.

Недостатком известного устройства является низкая точность моделирования реакции пессимума на увеличения силы раздражения при влиянии уровня гиперполяризации, поскольку в известном устройстве нет никакой зависимости между характером нарастания пессимума и уровнем гиперполяризации клетки, что имеет место в реальном нейроне и играет очень важную функциональную роль, так как определяет по существу качественный характер возрастания скорости нарастания пессимума при увеличении силы раздражения либо ее замедление.

Целью изобретения является повышение достоверности результатов моделирования ритмической активности нейрона за счет моделирования влияния накопления гиперполяризации на мембране на характер изменения скорости нарастания пессимума на увеличения силы раздражения.

Для достижения поставленной цели в устройство для моделирования нейрона введены второй инерционный элемент, релейный элемент и переключатель знака, причем вход второго инерционного элемента соединен с выходом первого сумматора, выход подключен к входу релейного элемента, выход которого соединен с управляющим входом переключателя знака, вход которого соединен с выходом первого инерционного элемента, а выход - c входом масштабирующего усилителя.

Введенные элементы - инерционный элемент и релейный элемент являются известными стандартными элементами в автоматике и вычислительной технике, а переключатель знака представляет собой операционный усилитель с переключаемыми электронным коммутатором входами, т.е. также содержит широко распространенные стандартные элементы, однако их соединение, предложенное в данном устройстве, позволяющее организовать специфическое для него взаимодействие дополнительных элементов и их совместное функционирование с элементами прототипа не известно из литературных источников и позволяет получить новые функциональные свойства устройства, неизвестные в ранее предложенных моделях нейрона, которые позволяют полностью реализовать цель изобретения и смоделировать эффекты, характерные для живой клетки и невоспроизводимые ранее в известных устройствах. Таким образом, эффект, полученный от введения дополнительных элементов, соединенных предложенным образом, как в качественном так, и в количественном отношении, значительно превышает простую сумму эффектов дополнительных элементов, в связи с чем можно считать отличительные признаки изобретения удовлетворяющими критерию существенности отличий.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для моделирования нейрона; на фиг. 2 - временные диаграммы функционирования устройства; на фиг. 3 - амплитудная характеристика релейного элемента; на фиг. 4 - функциональная схема управляемого формирователя спайков; на фиг. 5 - временные диаграммы функционирования управляемого формирователя спайков; на фиг. 6 - принципиальная схема примера реализации переключателя знака.

Устройство для моделирования нейрона (фиг. 1) содержит тормозящие 1 и возбуждающие 2 входы, которыми являются входы формирователей 3 входных сигналов, последовательно с ними соединенные преобразователи 4 частоты в напряжение и блоки 5 задания коэффициентов, второй 6, первый 7 многовходовые и третий 8 двухвходовый сумматоры, функциональный преобразователь 9, преобразователь 10 напряжения в частоту, управляемый формирователь 11 спайков, выход которого является выходом устройства, а вход соединен выходом преобразователя 10, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом функционального преобразователя 9 и вторым входом пятого сумматора 13, первый вход которого через нелинейный элемент 12 подключен к выходу сумматора 8, куда также подключен вход функционального преобразователя 9; первый вход третьего сумматора 8 соединен с выходом первого сумматора 7, а второй вход - с выходом сумматора 6, входы которого соединены с выходами блоков 5 группы возбуждающих входов 2, а входы первого сумматора 7 - с выходами блоков 5 группы тормозящих входов; пороговые элементы 14 по числу возбуждающих входов 2, второй инерционный элемент 15, релейный элемент 16, переключатель знака 17, четвертый многовходовый сумматор 18, первый инерционный элемент 19, масштабирующий усилитель 20, причем входы пороговых элементов 14 соединены с выходами блоков 5 группы возбуждающих входов, а выходы элементов 14 - с входами четвертого сумматора 18, выход которого через первый инерционный элемент 19, переключатель знака 17 и масштабирующий усилитель 20, соединенные последовательно, подключен к третьему входу сумматора 13; выход первого сумматора 7 соединен также с входом второго инерционного элемента 15, выход которого подключен к входу релейного элемента 16, выход которого соединен с управляющим входом переключателя знака 17, а выход сумматора 13 соединен с управляющим входом формирователя 11.

Управляющий формирователь спайков 11 (фиг. 4) содержит: первый одновибратор 21, первый масштабирующий усилитель 22, второй одновибратор 23, третий инерционный элемент 24, блок умножения 25, второй масштабирующий усилитель 26, сумматор 27, четвертый инерционный элемент 28, второй блок умножения 29, третий масштабирующий усилитель 30, входом блока 11 является вход одновибратора 21, управляющим входом - вход усилителя 22, выход которого соединен с управляющим входом одновибратора 21, выход которого соединен с входом третьего инерционного элемента 24 и входом второго одновибратора 23, срабатывающего на задний фронт импульса с одновибратора 21, выход элемента 24 соединен с первым входом блока умножения 25, на второй вход которого подключен выход усилителя 26, вход которого объединен с входами усилителей 22 и 30, выход усилителя 30 соединен с первым входом блока умножения 29, выход которого соединен с первым входом сумматора 27, на второй вход которого подключен выход блока умножения 25, а выход является выходом блока 11, выход второго одновибратора 23 через четвертый инерционный элемент 28 соединен с вторым входом блока умножения 29.

Работа формирователя 11 спайков заключается в следующем. На вход одновибратора 21 поступают прямоугольные импульсы с выхода преобразователя 10 напряжения в частоту. Одновибратор 21 генерирует прямоугольный импульс, длительность которого линейно зависит от напряжения по управляющему входу через усилитель 22. Импульс с выхода одновибратора 21, сглаживаясь (фиг. 4) в инерционном элементе 24, поступает в блок умножения 25, где умножается на величину, пропорциональную напряжению на управляющем входе через усилитель 26. Таким образом, реализуется зависимость амплитуды спайка от управляющего напряжения. Задний фронт импульса с одновибратора 21 запускает одновибратор 23, который вырабатывает отрицательный импульс, который, сглаживаясь в элементе 28, поступает в блок умножения 21, где умножается на величину, пропорциональную управляющему напряжению, поступающему в него через усилитель 30, и образует зону гиперполяризации спайка, величина и длительность которой также линейно зависят от напряжения на управляющем входе. Суммируясь в сумматоре 27, сигналы с выходов умножителей 25 и 29 поступают на выход блока 11, являющийся выходом устройства.

Переключатель 17 знака (фиг. 5) может содержать операционный усилитель (ОУ) 31, резисторы 32-35 и электронный коммутатор 36 на два направления. В верхнем (по схеме на фиг. 5) положении вход коммутатора 36, который является входом 37 переключателя знака 17, подключен к неинвертирующему входу ОУ 31, а резистор 32, соединенный с землей, подключен к резистору 33, в результате чего ОУ 31 представляет собой неинвертирующий усилитель. При поступлении сигнала единицы на управляющий вход коммутатора 36 происходит его переключение, в результате чего вход 37 подключается к инвертирующему входу усилителя, а неинвертирующий вход ОУ 31 заземляется. При этом обязательно выполнение условия для неизменности коэффициента усиления:

= + 1.

Коммутатор 36 может быть выполнен на транзисторных ключах.

Устройство для моделирования нейрона работает следующим образом.

На тормозящие 1 и возбуждающие 2 входы соответствующих групп формирователей 3 входных сигналов поступают входные импульсные последовательности спайков, которые преобразуются в напряжения, пропорциональные их частотам в преобразователях 4 частоты в напряжение и масштабируются по амплитуде в соответствии с весами синапсов в блоках 5 задания коэффициентов, а также, кроме того, в блоках 5 группы тормозящих входов 1 происходит инвертирование сигналов, что соответствует тормозящим синапсам. Далее происходит отдельное суммирование возбуждающих и тормозящих сигналов с выходов блоков 5 в раздельных сумматорах 6 и 7 соответственно. В третьем двухвходовом сумматоре 8 происходит вычитание суммарного тормозящего сигнала из суммарного возбуждающего и разностный сигнал подается на вход функционального преобразователя 9 с трапецеидальной амплитудной характеристикой вход-выход, где происходит сравнение его с порогом, заданным в преобразователе 9, и при превышении его разностным сигналом с выхода сумматора 8 на выходе преобразователя 9 появляется напряжение в соответствии с его амплитудной характеристикой, которое преобразуется в частоту импульсов в преобразователе 10 напряжения в частоту, с выхода которого полученные импульсы поступают на управляемый формирователь 11 спайков. Кроме того, разностный сигнал с выхода сумматора 8 поступает через нелинейный элемент 12 на первый вход пятого сумматора 13, причем превышение порога нелинейного элемента 12 разностным сигналом происходит при такой его величине, когда происходит его переход с участка насыщения на спадающий участок трапецеидальной характеристики преобразователя 9, т.е. напряжение порога нелинейного элемента 12 равно напряжению перехода на спадающий участок функционального преобразователя 9. Выход разностного сигнала с выхода сумматора 8 за пределы трапецеидальной характеристики преобразователя 9 происходит одновременно с переходом его с линейного участка на участок насыщения характеристики нелинейного элемента 12, в результате чего суммарный сигнал, полученный от сложения напряжения с выхода нелинейного элемента 12 и напряжения с выхода преобразователя 9, поступающего на второй вход пятого сумматора 13, растет с ростом разностного сигнала до выхода его на участок насыщения характеристики преобразователя 9 и далее не изменяется и равен напряжению насыщения, которое для преобразователя 9 и нелинейного элемента 12 одинаково, что аналогично устройству-прототипу. Это суммарное напряжение поступает с выхода сумматора 13 на управляющий вход формирователя спайков 11 в случае, когда ни один сигнал с выхода блоков 5 группы возбуждающих входов 2 не превышает порогов соответствующих пороговых элементов 14, в результате чего сигнал на третьем входе сумматора 13 равен нулю. При этом при нарастании суммарного сигнала возбуждения с выхода сумматора 6, что приводит к возрастанию разностного сигнала с выхода сумматора 8, пока он находится на восходящем линейном участке преобразователя 9, происходит возрастание частоты генерируемых импульсов на выходе формирователя 11 и одновременное изменение параметров генерируемых импульсов с помощью возрастающего управляющего напряжения с выхода сумматора 13; уменьшается амплитуда генерируемых спайков, увеличивается их длительность и уменьшается до нуля величина следовой гиперполяризации аналогично прототипу. Если входные импульсы последовательности на тормозящих входах 1 отсутствуют, то на выходе первого сумматора 7 суммарное тормозящее напряжение равно нулю. При этом на выходе второго инерционного элемента 15 и последовательно с ним включенного релейного элемента 16 напряжение равно нулю, что устанавливает переключатель знака 17 в неинвертирующее положение. Если сигнал на каком-либо одном или нескольких возбуждающих входах одновременно увеличился по частоте до такой степени, что сигналы с выходов соответствующих им блоков 5 задания коэффициентов превысили пороги соответствующих пороговых элементов 14, то на выходе последних появляются сигналы, соответствующие их характеристикам и в зависимости от величин их входных сигналов, которые суммируются в четвертом сумматоре 18, и полученного напряжения, резкие изменения которого сглаживаются последовательно включенным первым инерционным элементом 19, происходит без изменения знака через переключатель 17 на вход масштабирующего усилителя 20, где происходит масштабирование этого напряжения, причем коэффициент подбирается по реальному нейрону конкретно и определяет скорость нарастания изменения параметров спайков с ростом возбуждения.

Напряжение с выхода усилителя 20 является положительной полярности, в результате чего, подаваясь на третий вход сумматора 13, суммируется с напряжениями с выходов блоков 9, 12 и изменение параметров спайков в сторону уменьшения амплитуды, увеличения длительности и уменьшения зоны гиперполяризации происходит быстрее, чем при слабом возбуждении большего числа возбуждающих входов, в том числе и при равной частоте импульсных разрядов на выходе (фиг. 2а). Если на тормозящие входы 1 устройства поступают импульсные последовательности, то на выходе сумматора 7 возникает суммарный тормозящий потенциал, осуществляющий общую гиперполяризацию мембраны нейрона, резкие изменения которой сглаживаются вторым инерционным элементом 15, и подается на вход релейного элемента 16, амплитудная характеристика вход-выход которого приведена на фиг. 3. В случае, когда это напряжение не превышает порог релейного элемента 16, на его выходе остается напряжение нуля, в результате чего при возрастании силы возбуждения по каким-либо входам 2 (т. е. частот, поступающих на входы 2 импульсных последовательностей) так, что напряжения с выходов блоков 5, соответствующих этим входам, превышают пороги элементов 14, напряжение, поступающее по третьему входу сумматора 13, складывается с напряжениями с выходов преобразователя 9 и элемента 12 и скорость изменения спайков возрастает, т.е. происходит более резкое изменение спайков при возрастании возбуждения, чем при слабых возбуждениях большего числа входов 2, когда напряжения с выходов блоков 5 не превышают значения порогов элементов 14. В случае, когда суммарный тормозящий потенциал с выхода второго инерционного звена 15 превысит напряжение переключения релейного элемента 16, последний переключается в состояние единицы, напряжение которой поступает, в свою очередь, на управляющий вход переключателя знака 17 и переключает его в состояние инверсии, в результате чего напряжение на его выходе меняет знак и становится отрицательным. Теперь в случае сильного раздражения каких-либо входов 2 при превышении порогов соответствующих пороговых элементов 14 суммарное напряжение на выходе масштабирующего усилителя 20 становится отрицательным, благодаря чему, поступая по третьему входу сумматора 13, вычитается в нем из напряжений с выходов функционального преобразователя 9 и нелинейного элемента 12, поступающих по первому и второму входу в сумматор 13. В результате этого напряжение с выхода сумматора 13 уменьшается по сравнению с предыдущими ситуациями, в том числе и при равенстве частот ритмических разрядов на выходе устройства, и при дальнейшем возрастании возбуждения изменения параметров спайков происходят медленнее, чем при слабом возбуждении большого количества входов, когда напряжения с выходов блоков 5 группы возбуждающих входов 2 не превышают пороги элементов 14 (см. фиг. 2б).

Таким образом, наличие определенного уровня гиперполяризующего напряжения на мембране нейрона существенным образом оказывает влияние на процесс изменения параметров спайковых импульсов, а именно действие усиления возбуждения по каким-либо возбуждающим входам 2, приводящее при низких уровнях гиперполяризации к ускорению изменения параметров спайков при увеличении возбуждения, меняется на полностью противоположное и начинает оказывать обратный эффект, т.е. в условиях значительной гиперполяризации возрастание силы возбуждения по каким-либо возбуждающим входам 2 приводят к замедлению наступления изменений параметров спайков при усилении общего возбуждения, что наблюдается в реальных биологических нейронах 3 и отсутствует в известных устройствах для их моделирования.

Второй инерционный элемент 15 аналогично первому инерционному элементу 19 может быть реализован на операционном усилителе (ОУ).

По сравнению с известными устройствами для моделирования нейрона предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами:

- более высокой достоверностью результатов моделирования ритмической активности нейрона за счет введения дополнительных элементов, соединенных предложенным образом, позволяющим воспроизвести качественно и количественно подобные натуральным явления нарастания пессимума на увеличение силы раздражения;

- большей реалистичностью моделирования свойств реального нейрона, поскольку позволяет повысить степень неоднознач- ности ответов нейрона, не нарушая детерминированности механизмов его функционирования, осуществив возможность качественного различного реагирования на одинаковые стимулы в зависимости от уровня накопленной гиперполяризации;

- более высокой гибкостью за счет этого, позволяющей, в свою очередь, наполнять более тонкие операции и осуществлять более сложное поведение в нетривиальной обстановке нейронным сетям и вычислителям на их основе, использующим данное устройство в качестве функционального элемента;

- позволяет проводить модельные исследования более широкого спектра пластических реакций нервной ткани.