оптоэлектронная модель нейронной сети

Формула изобретения

Оптоэлектронная модель нейронной сети, содержащая два оптоэлектронных операционных блока распределенной моделирующей среды, блок задания распределения параметров, блок задания узловых параметров, блок опорных напряжений и блок регистрации, причем каждый из оптоэлектронных операционных блоков распределенной моделирующей среды состоит из узла излучателей света и оптически связанного с ним плоского фоторезистора, при этом на обращенной к узлу излучателей света стороне последнего размещены секционированные прозрачные электроды, подключенные к соответствующим выходам блока опорных напряжений, входы излучателей света подключены к выходам блока задания распределенных параметров, отличающаяся тем, что в модель введены группа аксоноподобных интегрирующих узлов нелинейной связи, группа синапсоподобных интегрирующих узлов, две группы электрооптических индикаторов, две группы дополнительных излучателей света и узел обратной оптической связи, кроме того, в каждый из оптоэлектронных операционных блоков введены две группы оптоэлектронных узлов связи, первые из которых содержат локальные излучатели света, а вторые содержат двухкомпонентные электроды, состоящие из фоторезисторного и прозрачного электродов, при этом внешняя сторона фоторезисторного электрода является электрическим выходом оптоэлектронного узла связи второй группы, а обращенная к прозрачному электроду сторона фоторезисторного электрода является оптическим входом этого оптоэлектронного узла связи, второй электрический выход оптоэлектронных узлов связи второй группы подключен к одной из узловых точек, расположенных на одной из внутренних сторон плоских фоторезисторов первого и второго оптоэлектронных операционных блоков, прозрачные электроды двухкомпонентных электродов этих узлов связи соединены с соответствующими выходами блока опорных напряжений, первые электрические выводы излучателей света первой группы оптоэлектронных узлов связи соединены с шиной нулевого потенциала, между прозрачными секционированными электродами и плоским фоторезистом первого оптоэлектронного операционного блока установлены дополнительные фоторезисторные электроды, внешняя фотоприемная сторона каждого из которых, обращенная к прозрачному секционированному электроду, является одним из дополнительных оптических входов первого оптоэлектронного операционного блока и соответственно оптоэлектронной модели нейронной сети и оптически связана с дополнительными излучателями света первой группы, которые подключены к выходу блока задания узловых параметров, между прозрачными секционированными электродами и плоским фоторезистором второго оптоэлектронного операционного блока установлены дополнительные излучатели света второй группы, внешняя излучательная сторона каждого из которых, обращенная к прозрачному секционированному электроду, является одним из оптических выходов второго оптоэлектронного операционного блока и соответственно оптоэлектронной модели нейронной сети и оптически связана с оптическим входом блока регистрации, вход каждого аксоноподобного интегрирующего узла нелинейной связи соединен с одной из узловых точек плоского фоторезистора первого оптоэлектронного операционного блока, а выход этого узла соединен с вторым выводом одного из излучателей света оптоэлектронного узла связи первой группы, вход каждого синапсоподобного интегрирующего узла соединен с одной из узловых точек плоского фоторезистора второго оптоэлектронного операционного блока, а выход подключен к второму электрическому выводу излучателя света оптоэлектронного узла связи первой группы, оптический выход которого оптически связан с оптическими входами не менее двух узлов связи второй группы, установленных на внутренней стороне плоского фоторезистора первого оптоэлектронного операционного блока, электрооптические индикаторы первой и второй группы установлены на плоском фоторезисторе первого оптоэлектронного операционного блока и их первые электрические выводы соединены с поверхностью плоского фоторезистора, а вторые электрические входы этих электрооптических индикаторов подключены к соответствующим выходам блока опорных напряжений, оптические выходы этих электрооптических индикаторов являются дополнительным оптическим выходом оптоэлектронной модели нейронной сети, узлы обратной оптической связи выполнены в виде электрооптических индикаторов, которые установлены на внутренней поверхности плоского фоторезистора второго оптоэлектронного операционного блока и соединены первыми выводами с этим плоским фоторезистором, а вторые выводы соединены с соответствующими выходами блока опорных напряжений, оптический выход этого электрооптического индикатора через преобразователь светового потока оптически связан с внутренней поверхностью плоского фоторезистора первого оптоэлектронного операционного блока, двухкомпонентные секционные электроды, расположенные со стороны излучателей света блока задания узловых параметров и двухкомпонентные электроды оптоэлектронного узла связи второй группы, установленные на внутренней стороне первого оптоэлектронного операционного блока, выполнены в виде двух пар непересекающихся между собой двухкомпонентных ленточных электродов, прозрачный электрод которых выполнен ленточным, а дополнительные фоторезисторные элементы точечными, эти двухкомпонентные ленточные электроды образуют фигурный рисунок в виде многоугольников, в центре которых расположена одна из узловых точек первого оптоэлектронного операционного блока, соединенная с входом аксоноподобного интегрирующего узла нелинейной связи, прозрачные электроды парных двухкомпонентных ленточных электродов соединены с разнополярными выходами блока опорных напряжений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптоэлектронным моделирующим средствам, имеющим слоисто-пленочную распределенную структуру (сендвич-структуру), содержащую комбинацию оптоэлектронных блоков распределенной моделирующей среды, и предназначенную для моделирования процессов передачи информационно-энергетическких потоков в распределенных системах.

Известна оптоэлектронная модель нейронной сети, содержащая операционные узлы из дискретных фоторезисторов и излучателей света [1] Однако при моделировании распределенных систем с многочисленными связями для такой модели требуется довольно большое количество операционных узлов. Одно из перспективных направлений развития нейроподобных вычислительных структур - отказ от дискретной архитектуры элементов и подсистем в пользу архитектуры непрерывной структуры. (Авторское свидетельство СССР N 1605221, кл. G 06 G 7/60, 1991 г.).

Более близким к предлагаемому по технической сущности является оптоэлектронное вычислительное устройство, по авторскому свидетельству N 1001120, кл. G 06 G 7/38, 1983 г. однако и оно обладает упомянутыми недостатками.

Предлагается усовершенствование слоевой нейроподобной структуры за счет повышения достоверности моделирования процессов передачи информации с учетом пространственного характера распространения возбуждения и квантования передаваемых от нейронов одного слоя к нейронам другого слоя информационных сигналов.

В заявляемом устройстве предлагается распределенную моделирующую среду оптоэлектронных операционных блоков декомпозировать на зоны конвергенции входных сигналов в одном операционном блоке и на зоны дивергенции выходных сигналов в другом операционном блоке, узловые точки центры зон обоих операционных блоков предлагается связать между собой оптоэлектронными узлами однонаправленной связи, выполненными в виде аксоноподобных интегрирующих нелинейных элементов с квантованием передаваемых через них информационных сигналов и синапсоподобных интегрирующих узлов.

Для моделирования свойств адаптации и обучения в нейросетевых структурах предлагается организовать обратную оптическую связь между вторым и первым оптоэлектронными операционными блоками за счет установки электрооптических индикаторов на плоском фоторезисторе второго оптоэлектронного операционного блока и посредством излучения этих электрооптических индикаторов освещать рабочую поверхность плоского фоторезистора первого оптоэлектронного операционного блока. На пути такой оптической связи между вторым и первым оптоэлектронным операционным блоком предлагается устанавливать оптоэлектронный узел преобразования светового потока.

Для улучшения условий индикации получаемых результатов моделирования предлагается в модели многослойной нейронной сети устанавливать электрооптические индикаторы для визуальной дифференциальной индикации распределения поля моделирующих потенциалов в фоторезисторных слоях оптоэлектронных операционных блоков.

По сравнению с известными оптоэлектронными распределенными моделями нейронных сетей, предлагаемая модель имеет конструктивное отличие за счет введения новых элементов: оптоэлектронных аксоноподобных и синапсоподобных интегрирующих узлов связи, оптоэлектронных узлов обратной связи и электрооптических узлов индикации, а так же за счет новых видов взаимосвязи оптоэлектронных узлов модели между собой. По этим признакам предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Наличие в модели нейронной сети распределенной оптоэлектронной структуры моделирующей среды, нелинейных оптоэлектронных узлов связи с квантованием сигналов, передаваемых через эти узлы, наличие возможности задавать любую конфигурацию сомы моделируемого нейрона и топологию дендритоподобных связей между соседними нейронами, а так же наличие узлов оптической дифференциальной индикации результатов моделирования существенно отличают предлагаемое устройство от известных моделей нейронных сетей распределенной структуры. Наличие портов входа-выхода параллельных оптических сигналов в модели нейронной сети позволяет использовать такую модель как однослойный модуль для моделирования многослойной нейронной сети. При этом многослойная структура оптических выходов одного однослойного модуля с оптическими входами другого (последующего) однослойного модуля.

Выполнение модели нейронной сети на оптоэлектронной основе позволяет в процессе моделирования довольно простым способом изменением рисунка освещаемой поверхности фоторезисторных слоев оптоэлектронных операционных блоков модели задавать различную конфигурацию сомы моделируемых нейронов и топологию их взаимных связей. Моделирование пространственного распределения полей потенциалов в соме нейрона до сих пор не проводилось, и такое моделирование позволяет более наглядно представить происходящие в соме процессы перераспределения зон возбуждения и торможения при передаче и обработке информации, а наличие электрооптических индикаторов для дифференциальной визуализации получаемых решений позволяет наблюдать за результатами моделирования процессов передачи и обработки информационных сигналов в нейронных сетях. Наличие оптоэлектронных узлов обратной связи позволяет реализовать некоторые алгоритмы адаптации и обучения в нейронных сетях.

Все эти качества предлагаемой оптоэлектронной многослойной нейронной структуры позволяют применять такую модель как учебную демонстрационную модель нейронной сети при изучении основ нейроинформатики.

Приведенные выше отличия и качества предлагаемой модели соответствуют критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 и фиг.2 представлены фрагменты различных вариантов оптоэлектронной однослойной модели нейронной сети. На фиг.3 показан вариант организации зоны фотопроводимости для моделирования сомы нейрона и дендритоподобных каналов связи сомы с синапсоподобными узлами.

Оптоэлектроная модель однослойной нейронной сети (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 оптоэлектронные операционные блоки распределенной моделирующей структуры, блок 3 регистрации результатов моделирования, оптоэлектронные блоки состоят из следующих узлов и элементов: блок 4 задания узловых параметров с узлом излучателей света, блок 5 задания распределенных параметров с узлом излучателей света, прозрачный секционированный электрод 6, фоторезисторный электрод 7, два последних образуют двухкомпонентный электрод, плоский фоторезистор 8 первого оптоэлектронного операционного блока, фоторезисторный электрод 9, прозрачный электрод 10, излучатель света 11 первой группы электрооптических индикаторов, прозрачный электрод 12, излучатель света 13 второй группы электрооптических индикаторов, прозрачный электрод 14, аксоподобный интегрирующий узел 15 с однонаправленной передачей квантованного сигнала, излучатель света 16 оптоэлектронного узла связи первой группы, прозрачный электрод 17, синапсоподобный интегрирующий узел 18, плоский фоторезистор 19, излучатель света 20 узла оптической обратной связи, прозрачный электрод 21, излучатель света 22 оптического выхода, оптический вход 23 для задания узловых параметров, оптический вход 24 для распределенных параметров в первом оптоэлектронном операционном блоке, оптический вход 25 для задания распределенных параметров во втором оптоэлектронном операционном блоке, оптический выход 26, оптический канал 27 аксоноподобной связи, оптический канал 28 синапсоподобной связи, оптический выход 29 для индикации параметров в зонах дивергенции выходных сигналов, оптические выходы 30 и 31 для индикации параметров зон возбуждения и торможения в зонах конвергенции входных сигналов. Электрические входы 32 37 для соединения с выходами блока опорных напряжений для задания соответствующих опорных потенциалов положительной и отрицательной полярности. Электрические выходы 38 для подключения к шине нулевых потенциалов.

Варианты схем моделирующих устройств на фиг.1 и фиг.2 отличаются расположением блоков задания распределенных параметров и узлами индикации полученных результатов моделирования.

Вариант оптоэлектронной структуры на схеме фиг.1 имеет внешнее расположение блоков 4 и 5 задания узловых и распределенных параметров и внутреннее расположение оптических индикаторов параметров процесса моделирования. Оптические сигналы 29 31 с излучателей света 11, 13, 20 электрооптических индикаторов могут быть использованы для самоподстройки (самоадаптации) моделирующей структуры, а также могут быть выведены на индикационную панель посредством волоконных световодов или отражающих зеркал.

Вариант оптоэлектронной структуры на схеме фиг.2 имеет внутреннее расположение блоков 4 и 5 задания узловых и распределенных параметров, электрооптические индикаторы расположены с внешней стороны, что позволяет осуществлять непосредственный визуальный контроль за процессом моделирования.

Блок 4 задания узловых параметров выполнен как оптический транспорант с высвечиванием локальных оптических сигналов, яркость cвечения каждого из которых пропорциональна величине узловой функции, моделирующей параметры сигналов в синаптических узлах. Блоки 5 задания распределенных параметров выполнены в виде оптических транспорантов с высвечиванием картины оптических сигналов, рисунок которой и яркость свечения соответствуют конфигурации и топологии моделируемой нейронной сети и значению "синаптических весов" каналов связи нейроподобных элементов. Блоки 4 и 5 могут представлять собой матрицу голограмм, оптических транспорант с управлением от ЦВМ (например, блок оперативной памяти с высвечиванием оптических сигналов содержимого памяти).

Первый оптоэлектронный операционный блок 1 содержит плоский фоторезистор 8, который предназначен для моделирования распределенных свойств и параметров сомы нейрона и каналов межнейронной связи. Плоский фоторезистор 8 может быть выполнен в виде тонкопленочного фоторезисторного слоя непрерывной структуры или в виде мозаичной дискретно-непрерывной структуры, набранной из фоторезисторных элементов многоугольной формы.

Соответствующим освещением внешней поверхности этого плоского фоторезистора задается локальная проводимость в соответствии с топологией моделируемой нейронной сети и "синаптическими весами" каналов межнейронной связи. Синаптические узловые функции задаются соответствующим освещением двухкомпонентных электродов 6 и 7, которые выполнены в виде парных ленточных двухкомпонентных электродов, подключенных к разнополярным выходам 32 и 33 блока опорных напряжений. Подключаемые к этим электродам опорные потенциалы разной полярности необходимы для моделирования процессов возбуждений и торможения в нейронных сетях, положительная полярность значений опорных потенциалов для моделирования возбуждения, отрицательная полярность для моделирования торможения в нейронных структурах.

Для индикации распределения возбуждения в моделирующем плоском фоторезисторе 8 на одной из сторон установлены электрооптические индикаторы в виде излучателей света 11 и 13, например, излучатели света из слоя электрооптического материала (электролюминофора) и прозрачных электродов 12 и 14. Эти электрооптические индикаторы представлены двумя группами индикаторов с различными оптическими характеристиками, например, с красным и зеленым спектром излучения оптических сигналов. При этом к прозрачным электродам 12 и 14 электрооптических индикаторов через электроды 35 и 36 подключены опорные потенциалы разной полярности. Например, подключение к электрооптическим индикаторам 11 12 с красным спектром излучения опорных потенциалов 36 с отрицательным значением позволяет применять их для высвечивания в красной части спектра оптических сигналов 31, соответствующих зонам положительных потенциалов в слое 8, которые моделируют зоны возбуждения в соме нейрона. Подключение прозрачных электродов 14 к выходу опорных потенциалов 35 положительной полярности позволяет высвечивать на излучателе света 13 оптические сигналы 30 в зеленой части спектра, соответствующие моделируемым зонам торможения полю отрицательных потенциалов в слое 8. Высвечиваемые излучателями света 11 и 13 оптические сигналы 30 и 31 в разных частях спектра и разной яркости свечения несут визуальную информацию о конвергенции входных сигналов и о распределении полей возбуждения и торможения в моделируемой соме нейрона. Эта информации может быть выведена пользователю непосредственно (фиг.2), либо через дополнительную систему волоконных световодов.

Электрооптический индикатор 20 узла оптической обратной связи так же предназначен для вывода визуальной информации о дивергенции выходных сигналов в операционном плоском фоторезисторе 19. Оптические сигналы 29, высвечиваемые излучателями света 20, поступают на оптический вход плоского фоторезистора 8, изменяя при этом фотопроводимость этого слоя, имитируя при этом изменение проводимости дендритоподобных каналов связи нейронов. Для того чтобы моделировать положительную и отрицательную обратную связь предлагается на пути светового потока от излучателя света 20 к плоскому фоторезистору 8 устанавливать преобразователь cветового потока (на чертеже не показан). Такой преобразователь может быть выполнен в виде оптоэлектронного усилителя светового потока не многослойной сендвич-структуры: прозрачный электрод - фоторезисторный слой слой электролюминофора прозрачный электрод. Изменяя величину и полярность напряжения, подключаемого к прозрачным электродам такого оптоэлектронного преобразователя светового потока, можно усиливать или ослаблять величину светового потока, проходящего через этот оптический преобразователь светового потока, имитируя при этом разные виды обратной связи.

Излучатели света 16 с прозрачным электродом 17 отслеживают изменение потенциала на интегрирующем синапсоподобном узле 18 и при этом яркость свечения излучателей света 16 соответствует пресинаптическим значениям моделируемых синаптических узловых функций. Эти оптические сигналы 28 поступают на оптический вход узлов связи второй группы.

Блок 3 регистрации результатов моделирования представляет собой матрицу фотоприемников, преобразующих поле выходных оптических сигналов 26 в массив информационных данных в виде электрических сигналов, например, видеокамера с аналоговым или аналого-цифровым выходом.

При моделировании многослойных нейронных сетей оптический выход 26 одной однослойной модели нейронной сети поступает на оптический вход 23 последующего слоя в слоевой структуре многослойной модели нейронной сети.

Аксоноподобные интегрирующие узлы 15 нелинейной связи операционных блоков выполнены в виде оптоэлектронных узлов нелинейной однонаправленной передачи квантованных оптических сигналов 27 от узлов первого электронного операционного блока 1 к узлам второго оптоэлектронного операционного блока 2. Порог квантования задается для каждого узла 15 внешним управляющим сигналом. В качестве узла 15 можно применять преобразователи напряжение-частота (напряжение-код). Функции узла 15 подобны функциям аксона в нейроне: на входе узла 15 имеется интегрирующий элемент и когда проинтегрированное на этом элементе узловое напряжение достигает определенной пороговой величины, открывается канал передачи дискретной (квантованной) информации (спайк) от первого операционного блока 1 блока конвергенции входных сигналов ко второму операционному блоку 2 блоку дивергенции выходных сигналов.

На фиг.3 показан фрагмент плоского фоторезистора 8 первого операционного оптоэлектронного блока 1, разделенного системой парных секционированных ленточных электродов 6 на зоны, каждая из которых предназначена для моделирования одного нейрона его сомы с дендритами и синаптическими узлами. При этом ленточные или нитевидные секционированные электроды 6 образуют фигурный рисунок из многоугольников, в центре которых находятся узловые точки с координатой Хаi (фиг.3). Ленточные электроды 6 расположены попарно один подключен к электроду 32 опорного потенциала с положительной полярностью, второй к электроду 33 опорного потенциала с отрицательной полярностью.

Точечные фоторезисторные электроды 7 (показаны на фиг.3 точками) расположены таким образом, чтобы можно было образовать в плоском фоторезисторе 8 канал проводимости от электродов 6 через фоторезисторные электроды 7 к зоне моделирования дендритоподобных каналов связи в фоторезисторном слое 8. На фиг. 3 показан вариант освещения зоны плоского фоторезистора и образования оптоэлектронной структуры для моделирования сомы нейрона, дендритов и синаптических узлов. Расположенная вокруг узловой точки нейрона с координатой Хаi, где включен аксоноподобный интегрирующий узел 15, зона моделирования сомы, показанная звездообразным фигурным рисунком, соединена по своим границам Хdij каналами фотопроводимости с одним из ленточных электродов 6, соединенных с шинами опорных потенциалов: с шиной положительных опорных потенциалов, соединенной с электродом 32, при моделировании возбуждающих воздействий, с шиной отрицательных опорных потенциалов, соединенной с электродом 33, при моделировании тормозных воздействий. Причем канал фотопроводимости через фоторезисторный электрод 7 при освещении последнего световым лучом (на фиг. 3 показан кружком) имеет величину фотопроводимости, пропорциональную значению синаптической функции в узловой точке Xsj, a канал фотопроводимости в плоском фоторезисторе 8 имеет величину проводимости, пропорциональную "синаптическому весу" связи между узловой точкой синаптического узла Xsj и граничной точкой сомы Xdij, с которой соединен дендрит, соединяющий эти точки. На фигуре 3 показан вариант прямоугольной сетки парных ленточных электродов 6, вообще сетка ленточных электродов может быть треугольной, гексагональной и т.п.

Подобным образом могут быть выполнены и двухкомпонентные электроды из фоторезисторных электродов 9 и прозрачных электродов 10 оптоэлектронных узлов связи второй группы, установленных на внутренней стороне плоского фоторезистора 8. Один из таких парных ленточных непересекающихся двухкомпонентных электродов 9 10 применяется для моделирования процессов постсинаптического возбуждения, другой ленточный электрод из этой пары применяется для моделирования процессов постсинаптического торможения. Эти узлы связи, установленные на плоском фоторезисторе 8 первого оптоэлектронного операционного блока 1, оптически связаны с излучателями света 16 оптоэлектронных узлов связи первой группы, подключенных к синаптическим интегрирующим узлам 18, установленным на плоском фоторезисторе 19 и подключенным в соседних узловых точках в зонах моделирования соседних нейронов. Посредством таких оптических связей 28 от узлов связи, расположенных в соседних и удаленных на несколько узловых шагов узловых точках оптоэлектронного операционного блока 2, моделируется связь между соседними и удаленными друг от друга нейронами в нейронной сети.

Оптическая связь оптоэлектронных узлов связи 28 первой группы - излучателей света 16, подключенных к синапсоподобным узлам 18, установленным на плоском фоторезисторе 19, с удаленными оптоэлектронными узлами второй группы двухкомпонентными электродами 9-10, установленными на плоском фоторезисторе 8, может осуществляться и через волоконные световоды.

Работает предлагаемая модель нейронной сети следующим образом.

Возможны различные варианты моделирования нейронных сетей на предлагаемых оптоэлектронных моделях, например, моделирование однослойных и многослойных нейросетевых структур.

При моделировании однослойных нейросетевых структур в блоке 4 задания узловых параметров формируется поле локальных оптических сигналов. Геометрия расположения излучателей света соответствует синаптическим узловым точкам в операционном фоторезисторе 8, а яркость оптических сигналов 23 пропорциональна значениям синаптических узловых функций. В блоке 5 задания распределенных параметров формируется поле оптических сигналов 24, по форме совпадающие с конфигурацией моделируемой сомы нейрона, яркость излучения этих оптических сигналов 24 пропорциональна проводимости зон сомы моделируемого нейрона и дендритов каналов связи. В аксоноподобных узлах 15 нелинейной однонаправленной связи операционных блоков 1 и 2 задаются пороговые характеристики квантования передаваемых от одного операционного блока к другому информационно-энергетических потоков. В блоке 5 задания распределенных параметров в оптоэлектронном операционном блоке 2 формируются поле оптических сигналов 25, яркость свечения которых пропорциональна проводимости терминалей аксона моделируемого нейрона.

При моделировании многослойных нейросетевых структур оптические выходы 26 одной однослойной модели сопрягаются с оптическими входами 23 последующего слоя многослойной модели нейронной сети. При этом оптические сигналы выхода 26 моделируют постсинаптические значения синаптических узловых функций.

При подготовке устройства к работе выполняются следующие процедуры. Электроды 32 38 подключают к соответствующим шинам опорных потенциалов на выходах блока опорных напряжений. Например, электроды 32, 34, 35 и 37 подключают к шинам с положительной полярностью опорных потенциалов, а электроды 33 и 36 к шинам с отрицательной полярностью опорных потенциалов. Электроды 38 подключены к шине нулевого потенциала блока опорных напряжений. Подключение дифференциальных по полярности опорных потенциалов к электродам 35 и 36 обеспечивает высвечивание оптических сигналов 30 и 31, по яркости свечения пропорциональных значениям моделируемых потенциалов разной полярности в операционном плоском фоторезисторе 8. Но при этом в соответствии со значением потенциалов положительной полярности в плоском фоторезисторе 8 происходит высвечивание оптических сигналов с излучателей света 11 оптических индикаторов в одной области спектра, а в соответствии со значениями потенциалов отрицательной полярности в том же плоском фоторезисторе 8 высвечиваются оптические сигналы с излучателей света 13 в другой области спектра. Такая дифференциальная оптическая индикация моделирующих потенциалов разной полярности в операционном плоском фоторезисторе позволяет получать наглядную информацию в виде картины оптических сигналов 30 и 31 о распределении полей моделирования процессов возбуждения и торможения в элементах моделируемого нейрона. С излучателей света 22 будут высвечиваться оптические сигналы 26, которые являются оптическим выходом второго операционного блока 2 и оптоэлектронной однослойной модели.

В блоке 5 задания распределенных параметров в первом операционном блоке 1 формируется поле управляющих оптических сигналов 24, посредством которых в операционном плоском фоторезисторе 8 задается локальная фотопроводимость зон этого фоторезистора в соответствии с геометрией и параметрами сомы нейрона и топологией соединения дендритов в нейронной сети и их проводимостью. На фиг. 3 показан вариант проецируемой световой картины на зону плоского фоторезистора 8 для задания конфигурации сомы и дендритоподобных каналов связи с электродами 6.

В блоке 5 задания распределенных параметров во втором операционном блоке 2 формируется поле управляющих оптических сигналов 25, посредством которых задается топология терминалей аксона и их проводимость в плоском фоторезисторе 19.

На оптический вход 23 подаются оптические запускающие сигналы, рисунок и яркость свечения которых определяются топологией связей в моделируемой нейронной сети. Эти входные сигналы поступают на двухкомпонентные электроды 6 7, в которых при их освещении возникают каналы с фотопроводимостью, пропорциональной интенсивности падающего оптического сигнала 23, при этом через каждый из этих двухкомпонентных электродов потечет ток, величина которого пропорциональна значению узлового информационно-энергетического потока в соответствующих узлах моделируемой нейронной сети. В зависимости от заданных локальных проводимостей в зонах операционного плоского фоторезистора 8 в последнем происходит перераспределение этих межузловых токов и устанавливается некоторое распределение поля моделирующих потенциалов в этом операционном слое. Причем в операционном фоторезисторном слое 8 в зоне моделирования сомы нейрона могут быть одновременно зоны моделируемых потенциалов с положительной и отрицательной полярностью. Аксоноподобные узлы 15 нелинейной связи имеют на входе интегрирующие элементы, посредством которых производится интегрирование узлового моделирующего потенциала в той точке сомы, где расположен аксон (точка с координатой Xaij) и в которую включен узел нелинейной связи 15. Когда интегральная величина узлового моделирующего потенциала в этом узле достигнет значения, которое задано как пороговый уровень нелинейной связи, происходит квантование порции информационно-энергетического потока, передаваемого от одного узла операционного блока 1 другому расположенному в той же пространственной точке узлу в операционном блоке 2, при этом на входе узла 15 нелинейной связи происходит обнуление интегрирующего элемента, и на выходе узла 16 появляется выходной импульсный оптический сигнал (спайк) 27, который поступает на вход фоторезисторного электрода 9 оптоэлектронного узла связи, установленного на плоском фоторезисторе 19. В соответствии с заданной локальной проводимостью в плоском фоторезисторе 19 от фоторезисторных электродов потекут токи и произойдет их перераспределение в соответствии с топологией и проводимостью моделируемых терминалей аксона. Образовавшееся при этом поле моделирующих потенциалов в плоском фоторезисторе 19 вызывает свечение излучателей света 20 узлов оптической обратной связи и излучателей света 22 оптического выхода. Высвечиваемые в последнем случае оптические сигналы 26 являются оптическими выходами модели и они могут быть переданы непосредственно либо через волоконные световоды на оптические входы 23 той же однослойной модели для моделирования синаптической связи в модели нейронной сети или переданы на оптические входы 23 другой однослойной структуры для моделирования межслоевой связи в модели многослойной нейронной сети. Кроме того, оптические сигналы с выхода 26 используются для визуальной индикации за процессом моделирования распределения узловых значений информационно-энергетических потоков в сетях терминалей аксонов.

Процесс моделирования дивергенции информационно-энергетических потоков в сетях терминалей аксонов можно контролировать по свечению излучателей света 20, формирующих поле оптических сигналов 29.

Оптические сигналы, высвечиваемые излучателями света 20 узлов оптической обратной связи, можно так же применять для реализации самонастройки нейроподобной структуры оптоэлектронного операционного блока 1. Если эти излучатели света имеют инерционные светоизлучательные характеристики - послесвечение, то при часто повторяющихся сигналах 27, поступающих с выхода аксоноподобного интегрирующего узла 15 на фотоприемные входы 9 узлов связи второй группы, установленных на плоском фоторезисторе 19 второго операционного блока 2, происходит более длительное свечение излучателей света 20 и соответственно более длительное освещение рабочей поверхности плоского фоторезистора 8, что приводит к образованию дополнительной фотопроводимости в дендритоподобных канала связи в слое фоторезистора 8. Такая обратная cвязь позволяет реализовывать некоторые алгоритмы адаптации в нейронных сетях.

За процессом моделирования конвергенции информационно-энергетических потоков в дендритах и соме нейрона в слое плоского фоторезистора 8 можно наблюдать по свечению излучателей света 11 и 13 электрооптических индикаторов первой и второй групп, которые позволяют проводить индикацию положительных потенциалов в одной области спектра излучения, а индикацию отрицательных потенциалов в другой области спектра излучений этих индикаторов. Так например, для визуальной индикации положительных потенциалов можно применять излучатели света красного цвета, что будет соответствовать индикации зон возбуждения, а для индикации отрицательных потенциалов можно применять излучатели света зеленого цвета, что будет соответствовать индикации зон торможения.

Предлагаемая модель нейронной сети существенно отличается от известных, так как в ней моделируется поведение нейронов как системы с распределенными параметрами, в то время как в известных моделях в основном моделируются нейроны как сосредоточенные системы.

Это новое качество оказывается очень полезным при изучении и исследовании процессов переноса информационно-энергетических потоков в нейронных сетях и в самих нейронах.

Особую роль играет это качественное отличие при использовании предлагаемой модели нейронной сети для обучения основам нейроинформатики, когда без дополнительных сложных средств имеется возможность визуально наблюдать за моделируемыми процессами переноса (распространения) информационно-энергетических потоков в моделях нейронных сетей.

Математическая модель нейрона как системы с распределенными параметрами описывается системой интегро-дифференциальных уравнений.

В первом оптоэлектронном операционном блоке 1, моделирующем конвергению информационно-энергетических потоков, в зоне моделирования сомы имеем следующее распределение моделируемых функций:



граничные условия на границе сомы i-го нейрона с j-ым дендритом:

Uci(Xdij)=Udj(Xdij);

Gci dUci(Xdij)/dn=Gdji[Usj(Xsj)-Udji(Xdji)] (2)

где Uci(Xci) функция распределения поля потенциалов в соме i-го моделируемого нейрона;

Udj(Xdij) граничное значение функции распределения U в точке соединения сомы j-го нейрона с дендритом, соединяющим этот нейрон с j-ом синаптическим узлом;

Usj(Xsj) функция cостояния j-го синаптического узла в узловой точке с координатой Xsj;

Cci инерционные характеристики сомы i-го нейрона;

Gci локальная проводимость сомы i-го моделируемого нейрона;

Gdji проводимость канала связи, образованного j-ым дендритом, соединенным с i-ым нейроном;

(Xai,t-t) дельта-функция, учитывающая пороговые изменения функции Uci в точке Xci подсоединения аксона в i-ом нейроне, причем интеграл этой функции (t-t)dt = 1..

Введение дельта-функции обусловлено следующими факторами. Поле моделирующих потенциалов будет представлять собой поле с различной величиной и полярностью моделируемых потенциалов, и их распределенность будет определяться тем, какие сигналы поступают на входы дендритов и как при этом изменяется проводимость дендритов. При этом если потенциал поля моделируемых в соме функций в точке подсоединения аксона отрицательный, что соответствует торможению, то на интегрирующем элементе узла 15 нелинейной связи накапливается отрицательный потенциал и канал передачи информации через аксон закрыт. Когда происходит перераспределение поля моделирующих потенциалов и в точке подсоединения аксона образуется положительный потенциал, то на интегрирующем элементе узла связи 15 происходит накопление положительного потенциала до тех пор, пока значение этого проинтегрированного значения не превысит некоторого порогового положительного значения, при котором откроется канал проводимости аксона и при этом пpоизойдет импульсная передача сигнала (спайк) от сомы нейрона к зоне дивергенции выходных сигналов в слое плоского фоторезистора 19.

В этом плоском фоторезисторе 19 второго оптоэлектронного операционного блока 2, моделирующем дивергенцию выходных сигналов, имеем:



где Uai значение функции Ua, описывающей энергетическое состояние аксона i-го нейрона;

Gtji проводимость j-ой терминали аксона i-го нейрона;

Cai инерционные характеристики аксона i-го нейрона.

Значения проводимостей соответствующих элементов операционных блоков Gci, Gdji, Gtji управляемые и величина каждого из них задается соответствующим освещением тех фоторезисторов, посредством которых моделируется распределенная проводимость зон сомы, дендритов и терминалей аксонов. Емкостные характеристики Ссi и Cai реализуются на интегрирующих элементах (конденсаторах), включенных на входе аксоноподобного узла нелинейной связи 15 и на входе синапсоподобного узла связи 18.

В качестве электрооптических индикаторов 11 12 и 13 14 используются электрооптические элементы с малой проводимостью для того, чтобы не вносить возмущения в процесс моделирования распределения информационно-энергетических потоков в нейронных сетях.

При моделировании реальных нейронных сетей применяют теорию подобия и значения величин проводимости элементов модели задаются пропорциональными соответствующим значениям проводимости каналов передачи информации в нейронных сетях. Например, величина проводимости Gdji дендритоподобного канала связи задается пропорциональной "синаптическому весу" коэффициента связи i-го моделируемого нейрона с j-ым синаптическим узлом, функция моделирующего потенциала Usj в j-ом синаптическом узле модели нейронной сети пропорциональна значению потенциала в синаптическом узле реальной нейронной сети и такое же подобие задается для других параметров.

Предлагаемая оптоэлектронная модель нейронной сети обладает определенной наглядностью, так как в какой-то мере является моделью-аналогом, при этом имеется определенное соответствие (подобие) между реальными процессами в нейронной сети и оптическими и электрическими процессами в оптоэлектронной модели, например, распределение моделирующих потенциалов в плоском фоторезисторе 8 первого операционного блока 1 моделирует процесс конвергенции входных сигналов, процесс накопления (интегрирования) входных сигналов и их квантование в узле 15 моделирует нелинейные процессы в аксоне, процесс дивергенции выходных сигналов в плоский фоторезисторе 19 моделирует распределение выходных сигналов в терминалях аксона.

Наглядность моделируемых процессов достигается применением оптоэлектронных элементов в сетях передачи и обработки информации. Появляется возможность организовать высокопараллельное выполнение основных операций передачи и преобразования информационных сигналов, а так же параллельный процесс управления и параллельный ввод исходных данных и параллельный вывод результатов моделирования потоком оптических сигналов.

Процедура задания структуры модели нейронной сети высвечиванием картины управляющих оптических сигналов и вывод информации о результатах моделирования в виде двухцветной (многоцветной) картины оптических сигналов делает предлагаемое устройство эффективным техническим средством для моделирования процессов передачи и преобразования информации в нейронных сетях и довольно удобным средством для обучения основам нейроинформатики.