Устройство для моделирования нейронных ансамблей

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

З(59 Q 06 G 7/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОСУДАРСТ ЕНН )Й НОМИТЕТ аСС>»

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3384767/18-24 (22) 20.01.82 (46) 30.12.83. Бюл. 9 48 (72) В.Л. Кузьменко (71) Львовский государственный медицинский институт (53) 681.333(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2855486/24, кл. G 06 6 7/60, 1980.

2. Автбрское свидетельство СССР

Р 903910, кл. G 06 G 7/60, 1980 (прототип ).

3. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2873913/24, кл. G 06 G 7/60, 1980. (54)(57 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОННЫХ АНСАМБЛЕЙ, содержа@ее блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, и блок ввода, выходы которого соединены с первой группой информационных входов первого коммутатора, выходы которого подключены к соответствующим входам нейроноподобных элементов, выходы которых соединены с первой группой входов блока ре„„Я0„„1064285 A гистрации, о т л и ч а ю ц е е с я тем, что, с целью увеличения точности моделирования за счет возможности образования псевдослучайных связей, в него введены второй, третий и четвертый коммутаторы, блок индикации и блок сумматоров, выходы которого подключены к второй груп-, пе входов блока регистрации, выходы нейроноподобных элементов соответственно соединены с входами блока сумматоров и информационными входами .второго коммутатора, первая группа выходов которого подключена к первой группе информационных входов третьего коммутатора, выходы которого соединены с второй

Ж

C группой информационных входов первого коммутатора, вторая группа выходов второго коммутатора подключена к ннформаинонннм нконам чеевертого коммутатора, первая группа выходов которого соединена с второй Я группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа фщ, информационных входов четвертого коммутатора подключена к входам блока индикации. С5

106428S

Изобретение относится к моделированию самоорганизующихся процессов в центральной нервной системе и предназначено для теоретических исследований в области самоорганизации нейронных сетей, в частности для проверки гипотезы о возможности самоорганизации некоторого конечного множества псевдослучайных процессов в сложный, но предсказуемый в общих чертах процесс.

Предполагается, что при множестве N элементарных процессов (вариабильности активности нейронных элементов, входящих в сеть ) создается множество М процессов промежуточной сложности (случайные и псевдослучайные соединения нейронов в сеть ), которые дают множество конечных процессов и, при этом должно быть соотношение И (К ) и, т.е. один какой-то конечный и; результат, входящий в множество н, может включать в себя один из нескольких возможных промежуточных процессов.

Если это так, то процесс самоорганизации можно рассматривать как процесс неизбежный или во всяком случае процесс, наступающий с большой вероятностью. В этом случае моделирование систем искусственного интеллекта должно развиваться по ЗО пути создания условий для самоорганизации искусственных нейронных сетей без жесткого их моделирования.

В противоположном случае, если. и, М, представляется необходи- 35 мость моделировать все промежуточные этапы переработки информации, причем соединения в таких сетях будут носить определенный жесткий характер. Однозначно ответить на эти 4п вопросы пока нельзя, и так как сложность моделирования таких процессов лежит sa пределами возможностей математического аппарата и ЭВМ, представляется рациональным создание специальных физических моделей, структура которых позволяет проводить моделирование и получить искомый ответ.

Устройство, кроме того, может найти применение как перестраиваемый генератор набора множеств псевдослучайных. дискретных величин, который может быть использован в качестве устройства, моделирующего внешние возмущающие воздействия на адапативные системы, в частности модели нейронных сетей, для изучения процессов адаптации, их прочности и пластичности в условиях, максималь- 5() но приближающихся к реальным.

Устройство может также найти применение в психологических экспериментах для создания игровых ситуаций, решение которых требует не только логического, но также и интуитивного мышления.

Известно устройство, содержащее сеть нейронных элементов, ритмы выходной последовательности которой представляют собой интеграцию ритмов входящих в сеть нейронных элементов (1 )

Недостатком указанного устройства является детерминации конечной периодичности ритмов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования нейронных ансамблей, содержащее блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, и блок ввода, выходы которого соединены с первой группой информационных входов первого коммутатора, выходы которого подключены к соответствующим входам нейтроноподобных элементов, выходы которых соединены с первой группой входов блока регистрации. Кроме того, устройство содержит распределитель, наборное поле, генератор и дешифратор связи (2).

Недостатком известного устройства является деформированность сети, что снижает функциональные возможности моделируемого нейронного ан-. самбля.

Цель изобретения — увеличение точности моделирования за счет возможности образования псевдослучайных связей в ходе функционирования сети.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, и блок ввода, выходы которого соединены с первой группой информационных входов первого коммутатора, выходы которого подключены к соответствующим входам нейроподобных элементов, выходы которых соединены с первой группой входов блока регистрации, введены второй, третий и четвертый. коммутаторы, блок индикации и блок сумматоров, выходы которого подключены к второй группе входов блока регистрации, выходы нейроподобных элементов соответственно соединены с входами блока сумматоров и с информационными входами второго коммутатора, первая группа выходов которого подключена к первой группе информационных входов третьего коммутатора, выходы которого соединены с второй группой информационных входов первого, коммутатора, вторая группа выходов второго коммутатора подключена к информацион" ным входам четвертого комммутатора, первая группа выходов которого соединена с второй группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа информационных вхо1064285 дов четвертого коммутатора подключе- индикации — это набор свена к входам блока индикации.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для моделирования лируемых ист чн источников напряжения. нейронных ансамблей; на фиг, 2 - . Блок 9 сумм сумматоров (фиг. 5 ) содерфункциональная схема нейроноподоб- 5 жит сумматоры 26 и ключи 27 ручного ного элемента; на фиг. 3 — струк- управления. турная схема четвертого коммутатора

Устройство раб во ра отает следующим на фиг. 4 — функциональная схема образом. одной ячейки четвертого коммутатора

Ф

В отличие от ие от известных устройств, на фиг. 5 — функциональная схема )Q моделирующих нейронные ансамбли блока сумматоров, в которых принципиально прослеживаР ется зависимость выходных сигналов устройство для моделирования Hå - от сигналов на входах предлагаемо ронных ансамблей (фиг. 1) содержит устройство построено на принципе, блок 1 моделирования нейронов, сос- 5 заключающимся в большой степени нетоящий из нейроноподобных элементов

2, первого, второго, третьего и четвертого коммутаторов 3-6, блок 7 связей, при этом степень неопредеиндикации, блок 8 вво а о 8 ввода, блок 9 сум- ленности может регулироваться путем маторов и блок 10 егист а ии. регистрации ° „„. произвол ного распределения через

В качестве нейроноподобного элеРоноподобного эле- коммутатор 4 выходов нейронных элемента 2 в устройстве использована ментов между входами коммутаторов

5 и б. Максимум неопределенности .

Нейроноподобный элемент 2 элемент 2 (фиг. ) достигается путем подключения всех содержит источник 11 постоянного напряжения, выходы которого подклю- татора б, минимум татора, минимум — путем исключения коммутатора из работы. В связи тора 12, второго сумматора 13, пер- с этим устройство может работать в вого управляемого интегратора 14 нескольких режимах: в режиме простой и второго управляемого интегратора генерации псевдослучайн х

15 пе вый и в севдослуча ных последопервый 16 и второй 17 блоки срав- " вательностей на выходах элементов нения, ключ 18 и элемент 19 задерж- . 2 при исключении коммутатора б из ки. Входы сумматоров 12 и 13 и уп- работы, в режиме образования случайравляемых интеграторов 14 и 15, . ных коммутаций с возрастанием не11нпя не подключенные к выходу источника определенности последовател стей ьно напряжения служат информационными 35 на выходах элементов 2, при этом входами и через коммутаторы 3-6 возможно образование некоторого (фиг. 1 ) подключены к выходам дру- множества подобных режимов, отлича. гих элементов 2. ющихся друг от друга степенью неопКоммутаторы 3-5 в простейшем слу- ределенности (степенью участия в рачае представляют ручные переключа- 4О боте коммутатора б ); в режимах актели. тивного воздействия на работу устКоммутатор б (фиг. 3) содержит ройства путем включения в работу ячеек 20 о

0 коммутации (фиг. 4), блока 8. При включении в. работу блокаждая из которых содержит схему ка 8 (при участии человека или

21 с авнения вхо ы

P д которой также 45 группы людей) возможны различные произвольно через коммутатор 4 под- игровые ситуации (психофизические ключены к выходам соответственно эксперименты ) за ача кото ада а которых заклюкаких-то двух нейроноподобных чается в уменьшении неопределенносэлементов 2. Выход схемы 21 сравне- ти работы устройства путем активния через первый диодный элемент 22 подключен к п авляю им вх у р ющим входам rrep- В основе работы устройства лежит вой r ппы ключей 24

РУ 4, входы которых . работа модели пейсмекерного нейрона подключены произвольно через коммУ- 2 блока 1 (фиг. 1 и ? ). татор 3 к выходам нейроноподобных Пейсмекерный нейронный элемент элементов 2 блока 1. Выход каждого работает следующим образом. ключа 24 подключен к соответствую- 55 с источника. 11 на первые входы щему входу блока 7 и входу коммута- сумматоров 12 и 13 и на первые вхотора 5. Через коммутаторы 5 и 3 ды управляемых интеграторов 14 и 15 выход ключа 24 может подключаться поступает напряжение. Напряжение произвольно к входам элементов 2 Uz источника 11 определяет напряблока 1. Через второй диодный эле- 60 жение 0„= aUО выхода сумматора 12: мент 23 выход схемы сравнения подклю- и U = Ь 0 - напряжение выхо а сумчен к управляющим входам второй . матора 13, где а и Ъ вЂ” соответствен- . о хода сумв группы ключей 25, соединение которых но веса первых входов сумматоро устройстве аналогично соединению 12 и 13. Напряжение с выхода суммав

65 тора 12 через ключ 18, нормальное

1064285 положение которого открытое, поступает на первый вход блока 16 сравнения и определяет пороговое напряжение 0>= СU, где С вЂ” вес второго хода блока 16 сравнения. В управляемом интеграторе 14 происходит интегрирование напряжения по времени

1 где — — постоянная интегратора

R С

14 по данному входу.

В момент, когда напряжение на вы- 15 ходе интегратора 14, учитывая вес первого входа блока 16 сравнения, сравняется с пороговым напряжением на выходе блока сравнения, образуется напряжение, которое открывает доступ напряжения интегратора 14 на выход нейтронного элемента и одновременно поступает на управляющий вход ключа 18 и закрывает его на первый управляющий вход управляемого интегратора 14, вследствие чего в последнем запоминается мгновенное значение напряжения в момент достижения им порогового значения, а порог элемента 2 вследствие закрытия ключа 18 принимает нулевое значение. Зо

Смысл нулевого значения порогового напряжения заключается в том, чтобы меняющееся. напряжение на входах сумматора 12 не влияло на величину пейсмекерного потенциала во время 35

его генерации ° Время существования пейсмекерного потенциала определяется работой управляемого интегратора 14 и напряжением на выходе сумматора 13. Напряжение с выхода ин- 4() тегратора 14 через элемент 19 задерж-; ки поступает на управляющий вход интегратора 1 и включает его в работу. В интеграторе 15 напряжение, поступающее на его первый вход, интегрируется во времени и поступает на первый вход второго блока 17 сравнения. В момент, когда это напряжениесравняется с напряжением первого входа . блока 17 сравнения (учитывая соотношение весов входов блока 17 сравне« ния, на его выходе образуется напряжение, которое поступает на второй управляющий вход первого управляемого интегратора 14 и срывает его работу. Время от начала работы интегратора 15 до срыва работы интегратора 14 зависит от напряжения на выходе сумматора 13. Срыв работы интегратора 14 приводит к срыву работы интегратора 15, исчезнове- 6О нию напряжения на выходе блока 16 сравнения, восстановлению порбгового напряжения вследствие открытия ключа

18 и включению в работу интегратора

14 из-за исчезновения напряжения на его первом и втором управляющих входах. С этого момента начинается второй цикл генерации пейсмекерного потенциала, который будет иметь ту же величину, если на входах устройства не произойдет изменения в соотношении сигналов. Например, если на входы сумматора 12 будет поступать дополнительное напряжение, а на дру- . гие входы устройства напряжение не будет поступать, кроме его первых входов, куда поступает напряжение с выхода источника ii, то величина пейсмекерного потенциала, его продолжительность, и продолжительность интервалов между потенциалами будут увеличиваться. Если дополнительное напряжение поступит на входы сумматора 13, то увеличивается только продолжительность потенциалов. При поступлении напряжения на входы интегратора 15 продолжительность пейсмекерных потенциалов уменьшается. При поступлении напряжения на информационные входы интегратора 14 сокращаются интервалы между следующими друг за другом потенциалами. Комбинации воздействий на информационные входы элемента 2 дают самые различные варианты дискретных последовательностей.

Естественно, предсказать заранее характер последовательности потенциалов на выходе любого элемента 2 не представляется возможным даже при моделировании ее на ЭВИ, так как алгоритм программы будет черезвычайно сложным уже при использовании

3-4 нейронных элементов. С другой стороны, последовательность на выходе любого нейронного элемента 2 зависит в данный и предшествующий моменты от активности других нейронных элементов, входящих в сеть, что позволяет отнести эти последовательности и псевдослучайным.

При использовании в сети пяти и более элементов 2 путем различных соединений между ними, можно получить фактически неограниченное число псевдослучайных последовательностей, характер которых зависит от связей внутри сети. В то же время жесткость соединений нейронных элементов в сети обусловливает ограниченные дисперсии сигналов выходных последовательностей. Эта же жесткость соединений обуславливает возникновение в конечном итоге периодичности и стабилизации дисперсии.

Характер дисперсии псевдослучайных последовательностей на выходе каждого элемента 2 зависит от типов соединений элементов 2 в сеть.

Предварительные изучения таких сетей выявляют следующие танденции.

Имеется некоторое семейство соединений, при которых дисперсии последо1064285

10 вательностей на выходах сумматоров нейроноподобных элементов имеют тенденцию к уменьшению. Такая тенденция прослеживается лучше при включении в сеть большого числа нейроноподобных элементов. При уменьшении 5 же количества нейроноподобных элементов характер колебаний напряжений пейсмекерных потенциалов приобретает черты гетеростатического, это несколько напоминает изменения в ритмах ретикклярной формации центральной нервной системы. Возможно, изучение работы таких пейсмекерных искусственных сетей может внести добавочную информацию, необходимую для раскрытия механизмов ритмообразования в центральной нервной системе и, в частности, в ретикулярной ее формации, в формировании ритмов которой пейсмекерные механизмы играют существенную роль.

Во втором режиме работы устройства с включением коммутатора 6 устройство работает следующим образом;

Выходы элементов 2 через коммутатор 4 подключаются к входам коммутатора 6, в котором происходит случайная коммутация выходов элементов 2 через коммутаторы 5 и 3 на входы элементов 2. Подключение выхо- 30 . дов элементов 2 на входы ячеек .20 (фиг. 3 ) производится произвольно.

В самой ячейке выходы элементов 2 также подключаются произвольно без определенных правил. Так, например, 35 выход некоторого элемента 2 может быть подключен или к одному из входов схемы 21 сравнения, или к одному из входов ключа 24 и 25, но может быть подключен одновременно как к входу схемы 21 сравнения, так и входу одного из ключей 24 или 25 (фиг. 4 ).

Коммутация выходов элементов 2 на их входы происходит следующим образом.

Если на первый вход схемы 21 сравнения поступает нейсмекерный потенциал, а на второй вход напряжения не поступает вследствие интервала между потенциалами, или на первый .вход поступает потенциал больший, чем на второй, то напряжение с выхода схемы 21 сравнения поступает через элемент 22 на управляющие входы группы ключей 24 . Вследствие этого сигналы с выходов нейтронных элементов 2, подключенных к информационным входам ключей 24, поступают на входы тех нейронных элементов

2, к которьм подключены выходы ключей 24 через коммутаторы 5 и 3.

В противоположном случае напряжение с выхода схемы 21 сравнения через элемент 23 поступает на управляющие входы группы ключей 25 и коммутация нейронных элементов меняется.

В тех случаях, когда на входах схемы 21 сравнения не будет напряжения, или напряжение входов схемЫ. сравнения будет совпадать пс величине, ключи 24 и 25 будут находиться в закрытом положении.

Таким образом, в зависимости от состояний активности элементов 2, выходы которых подключены к входам схем 21 сравнения ячеек 20 коммутации меняется сама коммутация оси, что, в свою очередь, меняет ритм активности .нейронных элементов, подающих сигналы на входы схем 21 сравнения.

1064285

1064285 фиг Г

Составитель A.ßèöêîâ

Редактор A. Власенко Техред С.Мигунова Корректор.Г.Решетник

Тираж 70б Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

«а»

Заказ 10533/50

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