Устройство для моделирования адаптивного нейроно-глиального комплекса

Устройство для моделирования адаптивного нейроно-глиального комплекса

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советски а

Соцкалксткческма

Республнк

К (61) Д (22) За с прис (2;4) П

Гюауфарств"аней квмитет

СССР пь девам . .аа4ретеиий

H аткрытий

О (72) Авторы изобретения

1 с

В. Н. Ефимов и И. А. Рыбак

Ростовский ордна Трудового Красного Знаме государственный университет (7I ) Заявитель (Г4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АДАПТИВНОГО

HE ЙРОНО-ГЛИАЛ ЬНОГО КОМПЛЕКСА

Изобретение относится к устройствам для моделирования элементов нервной системы и может быть использовано в нейрокибернетнке, в адаптивных информационно-угравляющнх спстеме х.

Известно устройство для моделирования адаптивного нейрона, содержащее регулируемый источник энергии, функциональный преобразователь, блок про"транственно-временного суммирования, каналы тормозящего сигнала, каналы возбуждающего сигнала, каналы оптимизируемого сигнала и блок управления коэффициентами чувствительности 1 .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройстве для моделирования нейрона, содержащее последовательно соединенные блок сравнения, преобразователь напряжения в частоту, первый н второй ннтегра- торы, блок управления синапсом, форми- рователь выходных импульсов, блоки моделирозания синапса, сумматор, формирователь порога и источник питания 2. .

Недостатком устройства является неполнота моделирования свойств реального нейрона, в частности известные уст ройства не учитывают роль глнальных клеток, функционально связл;тных с нейронами, осуществляющих в нейрон поток богатых энергией метабо:итов, поддерживающнх нейрон в соответствующем энергетическ. м состоянни, отсюда не у итывзются пластические перестг,ойки н тв изменение функцнонал чого состояния самого нейро.ч н комплекса нейрон-глия

° в зависимости от гуморального aoaneNствяя среды.

Кроме того, описанные устройства

35 не воспроизводят апе иоцнческие процес сь;, протекающие е синапсах, связанные с выделением и транспортом передатчиков в сннаптнческой щели реального ней26 рона.

Неучет выще описанных свойств реального элемента нервной системы снижает функцьональные возможности сясУказанная цель достигается тем, что в устройство цля моделирования адаптивного нейроно-глиального комплекса, соцержащее блоки моделирования сйнапса, выходы которых подключены к группе входов блока пространственно-временного суммирования, формирователь порога, формирователь выходных импульсов, выход которого является выходом устройства, ввецены управляемый генератор импульсов, ключ, апериодическое звено, блок задания начальных синаптических весов и блок моделирования глиального 2й элемента, первый выхоц которого через апериодическое звено подключен к первому входу ключа, выход которого соединен со входом формирователя выходных импульсов, выход формирователя порога

25 подключен ко входу блока пространственно-временного суммирования, выход которого соединен со вкодом управляемого генератора импульсов, выход которого подключен ко второму входу ключа, aro- jp рой выход блока моделирования глиального элемента соецинен с первыми входамИ блоков моделирования синапса, вторые входы которых являются группой входов устройства, выход формирователя выходных импульсов подключен к первому входу блока моделирования глиального элемента, второй вход которого является входом устройства, выкод блока задания начальнык синаптических весов соединен с третьими входами блоков моделирования синапса, А также тем, что блок моделирования синапса содержит ключевые элементы, интегратор и апериодическое звено, выход которого является выходом блока моцелиров щий сйнапса, выхоц первого ключевого элемента подключен к первому входу интегратора, второй вход которого является третьим входом блока моделирования синапса, выход интеграто5 ра соединен с первым входом второго ключевого элемента, выход которого подключен ко входу апериодического звена, первый вход первого ключевого элемента является первым входом блока моделирования сииацса, вторым входом которого являются вторые входы ключевых элементов..А также тем, что блок моделирования глиального элемента содержит преобразо3 тем, построенных из устройств, модели руюших эти элементы.

0зль изобретения — увеличение,точности моделирования реальных элементов нервной системы и расширение функциональкык возможностей устройств для их моделирования.

773649 4 ватель частоты в напряжение, апериодическое звено, дифференциальный усилитель, элементы И-НЕ и элементы НЕ, инверсные выходы первого и второго из которых подключены ко входам первого элемента

И-НЕ, инверсный выкод которого соединен с первым входом второго элемента

И-НЕ, инверсный выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко входу третьего элемента НЕ соответственно, инверсный выход третьего элемента HE соеДинен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого является вторым выходом блока моделирования глиального элемента, выкоц преобразователя частоты в напряжение подключен ко входу первого элемента HE и к первому вкоду третьего элемента И-HE соответственно, выход которого соединен со вторым входом второго элемента

И-НЕ, вход преобразователя частоты в напряжение является первым входом блока моделирования глиальнаго элемента, вторым входом которого являются вход второго элемента HE и второй вход третьего элемента И-НЕ.

На чертеже представлена функциональная схема устройства цля моделирования ацаптивного нейроно-глиального комплекса.

Входные сигналы 1 поступают на блоки 2 моделирования синапса, который содержит последовательно соединенные первый ключевой элемент 3, интегратор

4, второй ключевой элемент 5 и апериодическое звено 6. Интегратор 4.являетФ ся элементом памяти устройства. Перво начально на нем устанавливается исходное значение синаптического веса от блока 7 задания начальных синаптических весов. Каждый приходящий входной импульс открывает ключевой элемент 5 и сигнал с интегратора 4 через апериодическое звено 6 поступает на выход блока 2. Одновременно входной сигнал от-крывает ключевой элемент 3 и на интегратор 4 поступает регулирукнций сигнал, изменяющий синаптический вес элемента.

Интегратор 4 интегрирует свои вкоцные сигналы в пределах наложенных ограничений, таким образом, имеются максимальное и минимальное значение синаптического веса. Возбуждающие и тормозные блоки моделирования синапса отличаются только знаком первоначально установленного от блока 7.

Все блоки 2 моделирования синапса своими выкоцами подсоединены к входам

49 6

5 7736 блока 8 пространственно-временного суммирования нейронного элемента 9. Кроме блока 8 пространственно-временного суммирования нейронный элемент 9 содержит формирователь 10 порога, управляемый генератор 11 импульсов, ключ 12, апериоцическое звено 13 и формирователь

14 выкодных импульсов. В формирователе порога 10 устанавливается значение порога нейронного элемента. В блоке 8 . що пространственно»временного суммирования сумма прихоцящих синаптических сигналов сравнивается с значением порога, и при превышении последнего на выходе блока

8 пространственно-временного суммиро- 15 вания проявляется потенциал, поступающий на вход управляемого генератора 11 импульсов, который генерирует импульсы .с частотой, пропорциональной входному сигналу, выход апериоцического звена 13, щ выполняющий функции блока преобразования энергии через ключ 12, подключен к вкоду формирователя 14 выходных импульсов, выход которого является выходом 15 всего устройства.. Выхоцной сиг- 2s нал нейронного элемента поступает на блок 16 моделирования глиального эле мента, который содержит блок 17 преобразования частоты в напряжение, блок 18 источника метаболитов, выпоп- Зо ненный в вице апериодического звена, дифференциальный усилитель 19 и логический блок 20. Сигнал с выхоца нейронного элемента 9 поступает на вхоц блока 17 преобразования частоты в напряжение . Сигнал с выхоца блока 17 поступает на один из входов лагическо го блока 20. Напряжение 21, иммитирующее гуморапьное воэцействие среды, flQ» ступает на второй вход логического бло- 4О ка 20 и на вхоц 18 источника метаболитов. Логический блок 20, на вход которого поступает напряжение 21; имитирующее гуморальное воздействие срецы и напряжение с выхоца блока 17 преобра» эования частоты в напряжение, состоит из трех элементов, выполняющих логическую функцию HE и трех элементов, выполняющих логическую функцию И-НЕ. Оба входных сигнала поступают на вхоцы. третьего элемента И-HE 22 и через первый 23 и второй 24 элементы НЕ на входы первого элемента И-HE 25. Выходы первого и третьего элементов И HE поступают на вхоцы второго элемента

И-НЕ 26. Выход второго элемента И НЕ

26 является первым выходом логического блока 20, на котором реализуется. относительно ее вхоцнык сигналов, логическая функция эквивалентность, и соециняется с неинвертирующим вхоцом цифференциального усилителя 19. Кроме то- го, сигнал с выхоца второго элемента

И-HE поступает на третий элемент HE

27, выкоц которого является вторым выходом логического блока 20 и реализует относительно ее входных сигналов логическую функцию сложение по fllocl2 .

Сигнал с выкоца третьего элемента НЕ

27 поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 19. Сигнал с выхоца 28 дифференциального усилителя 19 поступает на блоки 2, изменяя веса тек синаптических элементов, на которые прикоцит входной сигнал 1. Существенно, что согласно схеме на выкоце цифференциального усилителя 18 появляется положительный потенциал, увеличивающий веса связей возбуждающих синаптическик элементов и уменьшающий веса связей тормозных синаптических элементов только, когца "активность" нейронного элемента совпацает с поступлением напряжения 21, имитирующего гуморальное воздействие срецы, и когда молчание совпадает с отсутствием напряжения 21.

Наоборот, на выходе- цифференциального усилителя 19 появляется отрицательный потенциал, уменьшающий веса связей возбуждающих синаптических элементов и увеличивающий веса связей тормоэнык синаптических элементов только, когда

"-активность" нейронного элемента совпадает с отсутствием напряжения 21, и когца "молчание" нейрона совпацает с поступлением напряжения 21. Таким образом, устройство будет всегда стремиться изменить свою реакцию на поступающие входные сигналы за счет изменения синаптических весов, если эта реакция не подкрепляется напряжением, имитирующим гуморалЬное воздействие срецы и стремится закрепить свою реакцию, если она им поцкрепляется.

Реализация в устройстве цпя моцелирования нейроно-глиапьного комплекса такик свойств реальных биологических объектов, как свойства гпиальнык клеток, позволяет обеспечить нейроны потоками богатых энергией метабопитов и осуществлять пластические перестройки синаптическик весов нейронов в зависимости от его активности и приходящего на комплекс нейрон - гпия гуморального воэдей« ствия среды, а также моделирование процессов, связанных с выцелением и транспортом перецатчика в синаптической щели, и расширяет функциональные. воз773649 мо33О3ости систем, построенных с применением устройств, моделирующих элементы нервной системы.

Формула изоГретения

1. Устройство цля моце3ирования ацаптивного чейроно-глиального комплекса, соцержащее блоки моделирования синапса, выхоцы которых подключены к группе вхоцов блока пространственновременного с "ммирования, формирователь порога, формирователь выхоцных импульсов, выход .:оторого является выхоцом 3у устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьпдения точности моцелирования и расширения фуикциональ3.ых возможностей за счет учета пластических перестроек синаптических Весов, B HB ГО Ввецены упраВляемый Генер- тop импульсов, ключ, апериоци..3еское звено, блок зацанья начальных синаптических весов .; блок моцелирования глпал-. вЂ,ного элемента первый выхоц которого через 25

Ь. ЭРИОЦИЧЕСКОЕ ЗВЕНО ПОДКЛЮЧЕН К ПЕРвому вхоцу ключа, выход которого соецинен со вхоцом формирователя ь»ыхо ных импульсоь, вы-.од фгрм",рователя поООГа поцключен Ко вхоцу Ол ока 33ростран- 3О ств . НО-временного суммирования, выхог, которого еоединен со входом управляеMol" Генератор.1 импульсов, выхоц кота(рого поцк3.ючен ко второму вхоцу кл3оча, второй выход блока моделирования Глиального Олеме3:: и соецинен с первыми входами C.— »oêoâ моцелирования синапса, втоpK Io ВХОды которых являются ГруппОй входов устройства, вь:хоц формирователя

ВЗЯХОЦНbIK ИМПУЛЬСОВ ПОЦКЛKÇHßH K BBPB0,ß) му Входу блОка модэлирования глиально»го элемента, вто )ой вх"g которого являетсЯ ВходОм устройства Вгяхоц блока зада ния начальных синаитических Весов соецинен с третьими вхоцами блОка мОделирОВания синанса, 2. Устройство по и, 1, с т л и ч аю 3ц е е с я тем, что блок моцелирования синапса соцержит кл3очевые элементы, интегоатор и а 3ериодическсе звено, ВЬ3- я} хоц которого является выхоцом блока моцелирования синапса, выхоц первого ключевого элемента поцключен к первому вхоцу интегратора, второй вхоц которого является третьим входом блока моделирования синапса, выход интегратора соединен с первым вхоцом второго ключевого элемента, Выхоц которого поцключен ко входу апериоцического звена, первый вхоц первого ключевого элемента является первым вхоцом блока моцелирования синапса, втсрым входом которого являются вторые вхоцы ключевых элементов.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что блок моделирования глиальногс- элемента содержит пре» образователь частоты в напряжение, апе,3иодическое зв Ho, Дифференциал,ный усилитель, элементы И-HF и элементы

НЕ, инверсные выхоцы первсго и второго из которых поцключены ко вхочам первого элемента И-НЕ, инверсный выхоц которого соединен " первым вхоцом

Второго элемента И-HF, инверсный выхоц которого подключен к неинвертирующему вхоцу Дифференциального усилителя, и ко вхоцу третьего элемента НЕ соответстгенно, инверсный выхоц третьего элемента HE соединен с инвертирующим вхоцом дифференциального усилителя,. выхоц которого яв .Heres вторым выходом блока моделирования глиального 3лемеита, выход преобразователя частоты в напряжение подключен кь Входу первого элемента HE и к первому входу третьего эле: Зента И-HF. соответствен3 О, выхоц которого соединен со вторым вхоцс второго элемента И-НЕ, вход преобразователя частоты в напряжение является первым вхоцом блока к оцелирования глиаль«« ного элемента, вторь:м вхсцом которого явля3отся вход второго элемента HF u второй вход третьего элемента И-НЕ, Источники информации принятые во вниманче при экспертизе

l. Авторское сзидетельство CCCP

N 565206, кл. Ь 06 g 7/60, 1975.

:- . Авторское свидетельство СССР

М 512478, кл. Cj 06 Cq 7/60, 1974 (про отип) .

773649

Составитель И. Дубинина

Редактор Г. Волкова Техред E.Ãàâðèëåøêî 1(орректор M. немчик

Заказ 75 08/64 Тираж 751 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СС< P

lIo делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4