Устройство для моделирования нейрона

Устройство для моделирования нейрона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н И Е 005ВУЗО

ИЗОЬГИтИНИ Я

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 01.10.74 (21) 2064189/24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 30.06.76. Бюллетень М 24

Дата опубликования описания 21.07.76 (51) M. Кл, G 06С 7/60

Государственный комитет

Совета о1инистров СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК 681,333 (088.8) (72) Авторы изобретения

А. М. Шквар, А. И. Шевченко, М. А. Попов и Д. И. Чусь (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

НЕЙРОНА

Изобретение относится к устройствам для измерения и обработки электрических сигналов и предназначено для использования в качестве аналого-дискретного элемента обработки информации в системах распознавания образов, а также в предсказывающих устройствах, в частности в электронных системах автоматического управления и контроля состояния электро- и радиооборудования летательных аппаратов.

Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов, последовательно соединенные пороговый блок, генератор импульсов, блок дифференцирования и усилитель-формирователь выходных импульсов, и пространственно-временной сумматор, выход которого подключен к соответствующему входу генератора импульсов, а первый и второй входы соединены с выходами блока торможения и возбуждения, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго блоков формирования входных сигналов.

Однако известное устройство не обеспечивает необходимой точности моделирования.

Предложенное устройство отличается тем, что, с целью увеличения точности моделирования, оно содержит блок моделирования адаптации, блок моделирования эффекта on, блок моделирования запоминания стимула и блок моделирования эффекта ott и постактивационного усиления, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования входных сигналов, причем вы5 ходы блока моделирования адаптации и блока моделирования эффекта on соединены соответственно с третьим и четвертым входами пространственно-временного сумматора.

Выходы блока моделирования запоминания

10 стимула и блока моделирования эффекта о// и простактивационного усиления подключены к соответствующим входам генератора импульсоз, а к другому входу блока моделирования запоминания стимула подключен

15 выход усилителя-формирователя выходных импульсов.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 — статическая характеристика устройства.

20 На фиг. 1 обозначено: 1 — 4 — входы простанственно-временного сумматора, 5>—

5в — блоки формирования входных сигналов, 6 — блок моделирования запоминания стимула, 7 — блок моделирования эффекта

25 oft и постактивационного усиления, 8 — блок торможения, 9 — блок возбуждения, 10— блок моделирования адаптации, 11 — блок моделирования эффекта on, 12 — пространственно-временной сумматор, 13 — пороговый

30 блок, 14 — генератор импульсов, 15 — блок

519730

55 б0

65 дифференцирования, 16 — усилитель-формирователь выходных импульсов, 17 — выходная клемма.

На блоки формирования входных сигналов устройства поступают сигналы от других мо делей нейрона или рецепторов. В блоках 5>—

56 осуществляется умножение поступающих сигналов на некоторый коэффициент, значение которого изменяется в пределах 0 — 1.

В пространственно-временном сумматоре 12 производится суммирование во времени и пространстве комбинации приходящих сигналов, причем сигналы, поступающие от бло-. ка возбуждения 9, способствуют возбуждению устройства. Сигналы с выхода блока торможения 8 оказывают на устройство тормозящее воздействие и препятствуют его возбуждению.

Сумма входных сигналов с пространственно-временного сумматора 12 поступает на генератор импульсов 14, моделирующий аксонный холмик биологического нейрона. Если сумма возбуждающих и тормозящих сигналов меньше установленного порога чувствительности, то на выходе генератора импульсов сигнал отсутствует (устройство для моделирования нейрона не вобуждено). При надпороговом возбуждении устройства, когда сумма возбуждающих и тормозящих сигналов превышает порог его чувствительности, генератор импульсов осуществляет преобразование накапливаемой на пространственно-временном сумматоре суммы входных сигналов в частоту выходной импульсации генератора импульсов подобно аксонному холмику биологического нейрона.

Непрерывное изменение порога чувствительности устройства в широких пределах от бесконечности (режим полной нечувствительности) до минимального значения (режим максимальной чувствительности с предельной частотой, определяемой периодом рефрактерности модели аксонного холмика) осуществляется пороговым блоком 13.

При возбуждении устройства импульсы с генератора 14 дифференцируются блоком 15, который служит для управления работой усилителя-формирователя выходных импульсов

16. При поступлении импульсов с дифференцирующего блока усилитель-формирователь выходных импульсов усиливает их и формирует на выходной клемме 17 импульс, близкий по форме к импульсу ритмики биологического нейрона. Моделирование периодов абсолютной и относительной рефрактерностей осуществляется за счет переходных процессов в цепях усилителя-формирователя выходных импульсов.

Период абсолютной рефрактерности определяется временем формирования одиночного импульса на выходе усилителя-формирователя 16, а период относительной рефрактерности — временем восстановления этого усилителя.

Статическая характеристика устройства (на фиг. 2) воспроизводит статическую характеристику биологического нейрона. В зависимости от настройки порога устройства и предыстории его возбуждения устройство осуществляет умножение входной частоты импульсов.

Использование блока дифференцирования

15 позволяет также изменять в широких пределах наклон линейных участков статической характеристики за счет обратной связи между выходом и входом устройства без потери устойчивости его работы.

Свойство адаптации биологического нейрона, определяемое взаимодействием процессов возбуждения и торможения на мембране, достигается за счет включения в схему блока

10 моделирования адаптации. Приходящий на блок моделирования адаптации возбуждающий (тормозящий) сигнал запускает одновременно тормозящий (возбуждающий) процесс, который развивается по экспоненциальному закону и через определенный промежуток времени компенсирует возбуждающий (тормозящий) сигнал. Изменяя параметры блока моделирования адаптации, можно в широких пределах регулировать время и глубину адаптации.

Блок моделирования on вызывает реакцию устройства на появление или увеличение сигнала, подаваемого с блока формирования входного сигнала. Эти моменты временй устройство отмечает генерацией пачек импульсов, длительность которых зависит от параметров и настройки блока моделирования эффекта on.

При подаче сигнала с блока 5> через блок

7 устройство генерирует пачки импульсов в моменты времени, соответствующие началу уменьшения или исчезновения анализируемого сигнала, при этом моделируется эффект оЦ биологического нейрона. При соответствующей настройке блока 7 в устройстве моделируется свойство постактивационного усиления, которое заключается в постепенном повышении частоты выходных импульсов устройства после подачи через блок 7 постоянного по уровню сигнала. Время и глубину постактивационного усиления можно регулировать изменением параметров блока 7.

Блок 6, имеющий два входа, моделирует в устройстве свойство кратковременного запоминания стимула при длительном его воздействии и постепенного забывания его npu выключении стимула. На входы блока 6 сигналы поступают как с выходной клеммы 17, так и непосредственно с блока формирования входных сигналов 5ь

При появлении сигнала хотя бы на одном из входов блока 6 на его выходе появляется сигнал, нарастающий по экспоненциальному закону. Этот сигнал поступает на вход генератора импульсов 14 и поддерживает частоту импульсации на выходе устройства. При мгновенном отключении сигналов на входе

519730 7 — Ф

Риз.2

Составитель Е. Тимохина

Техред 3. Тараненко Корректор А. Овчинникова

Редактор Топорова

Заказ 1551/7 Изд. № 1466 Тираж 864 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сагунова, 2 устройства частота импульсации на его выходе уменьшается по экспоненциальному закону.

Время запоминания и забывания стимула можно изменять путем регулирования параметров блока моделирования запоминания стимула.

Формула изобретения

Устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов, последовательно соединенные пороговый блок, генератор импульсов, блок дифференцирования и усилитель-формирователь выходных импульсов, и пространственновременной сумматор, выход которого подключен к соответствующему входу генератора импульсов, а первый и второй входы соединены с выходами блоков торможения и возбуждения, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго блоков формирования входных сигналов, отл ич а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности моделирования, оно содержит блок моделирования адаптации, блок моделирова5 ния эффекта on. блок моделирования запоминания стимула и блок моделирования эффекта о// и постактивационного усиления, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования входных

10 сигналов, причем выходы блока моделирования адаптации и блока моделирования эффекта on соединены с третьим и четвертым входами пространственно-временного сумматора, выходы блока моделирования запоми15 нания стимула и блока моделирования эффекта off и постактивационного усиления подключены к соответствующим входам генератора импульсов, а к другому входу блока моделирования запоминания стимула под20 ключен выход усилителя-формирователя выходных импульсов.