Устройство для моделирования афферентного нейрона

 

Изобретение относится к электронному моделированию свойств биологических нейронов и может быть использовано при изучении на моделях нейронньтх механизмов переработки информации в зрительной и слуховой системах , в системе увеличения точности моделирования афферентного нейрона. Цель достигается тем, что в устройство введены источник изменяемого напряжения, п управляемых генераторов и п дифференцирующих КС-цепо чек. Устройство преобразует аналоговый сигнал, соответствующий изменению рецепторного потенциала, в последовательность импульсов, которые распространяются с задержкой по цепочке генераторов. Новизна заключается в механизме преобразования аналогового сигнала в импульсный поток и в изменении времени задержки в зависимости от частоты следования импульсов вдоль цепочки генераторов. 2 ил. % i (Л

COHOЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИЛ ЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1401490 А 1 (51) 4 G 06 (7/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н двторСном,к свидктельСтвМ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4100406/24-24 (22) 07 . 08, 86 (46) 07.06.88. Бюл. N - 21 (71) Институт физиологии им.И.П.Павлова (72) С.П.Романов (53) 681.333 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1018131, кл. G 06 G 7/60, 1981, Авторское свидетельство СССР

N 1360436,,кл. С 06 Г 7/60, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АФФЕРЕНТНОГО НЕЙРОНА (57) Изобретение относится к электронному моделированию свойств биологических нейронов и может быть использовано при изучении на моделях нейронных механизмов переработки информации в зрительной и слуховой системах, в системе увеличения точности моделирования афферентного нейрона.

Цель достигается тем, что в устройство введены источник изменяемого напряжения, п управляемых генераторов и и дифференцирующих КС-цепочек.

Устройство преобразует аналоговый сигнал, соответствующий изменению рецепторного потенциала, в последовательность импульсов, которые распространяются с задержкой по цепочке генераторов. Новизна заключается в механизме преобразования аналогового сигнала в импульсный поток и и изменении времени задержки в зависимости от частоты следования импульсов вдоль цепочки генераторов. 2 ил.

1401490

Изобретение относится к электронному моделированию свойств биологических нейронов и может быть использовано при изучении на моделях ней5 ронных механизмов переработки информации в зрительной и слуховой системах, в системе управления движениями, а также в бионических системах и ро- ботостроении. 10

Целью изобретения является уве личение точности моделирования афферентного нейрона за счет воспроизведения в реальном масштабе времени процессов распространения сигналов 15 по нервному волокну, обеспечивая соответствующие афферентным нейронам задержку генерации импульса на выходе устройства по отношению к моменту возникновения импульса на его 2п входе.

На фиг.1 дана блок-схема устройства для моделирования афферентного нейрона", на фиг.2 — схема управляемого генератора импульсов. 25

Устройство содержит (фиг. 1) управляемые генераторы 1 импульсов, дифференцирующие RC-цепочки 2 и источник 3 изменяемого напряжения (модель рецепторного образования). 30

Управляемый генератор 1 состоит иэ операционного усилителя 4, резистивного делителя 5, времязадающего конденсатора 6, резистора 7 обратной связи, разделительного диода 8, масштабирующего резистора 9, выпрямительного диода 10 и первого и второго времязадающих резисторов 11 и 12.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии после подачи питающего напряжения и при отсутствии напряжения на выходе источника 3 на выходе всех операционных уси-15 лителей 4 устанавливается положительное напряжение, которое поддерживается положительной обратной, связью через резистивный делитель 5. Отрицательная обратная связь через диод 8 и резисторы 7 и 9 не работает, так как диод 8 заперт положительным напряжением с выхода операционного усилителя 4. Такое состояние схемы устойчиво и может продолжаться неограниченно долго. Конденсаторы. RC öåïî÷55 ки не пропускают постоянный уровень напряжения, и на входах всех управляемых постоянным напряжением генераторов поддерживает нулевой потенциал.

При появлении на выходе модели рецепторного образования положительного напряжения происходит заряд интегрирующего конденсатора 6 через резистор 11 и диод 10. Как только напряжение на конденсаторе 6 превысит пороговый уровень, устанавливаемый резистивным делителем 5, на выходе операционного усилителя 4 напряжение становится отрицательным, замыкается цепь обратной связи через открытый диод 8 и происходит перезаряд конденсатора 6 в соответствии с постоянной времени, которой формируется длительность отрицательного импульса на выходе генератора 1. На время генерации импульса отрицательное напряжение с выхода операционного усилителя 4 через диод 8 и резистор 12 запирает второй диод 10, блокируя действие постоянного входного напряжения на конденсатор 6 и обеспечивая таким об- разом постоянство длительности импульса на выходе генератора 1 независимо от уровня напряжения на его входе. После окончания формирования импульса положительное напряжение с выхода операционного усилителя запирает диод 8 в цепи отрицательной обратной связи и возобновляется процесс интегрирования входного напряжения.

Работа устройства позволяет трактовать характер преобразования аналогового напряжения на выходе модели рецепторного образования в последовательность импульсов на выходе генератора как присущий афферентному нейрону процесс генерации. Резистив- . ный делитель 5 определяет пороги генерации импульса и его длительность, поддерживая уровень срабатывания схемы в пределах долей вольта (коэффициент деления равен 40). Диод 8 в цепи отрицательной обратной связи блокирует автоколебательный режим и обеспечивает устойчивое состояние схемы при нулевом уровне входного напряжения. Последовательно соединенные входной резистор 11и диод 10 с параллельно ему включенными последовательно соединенными резисторами, 7 и 12, соединенные с инвертирующим входом операционного усилителя 4, через резистор 9 обеспечивают боль-. шую чувствите тьность схемы с малым

1401490

55 значением входных напряжений и умень1 шают возможность насыщения для больших напряжений, позволяя охватить весь диапазон изменения входного сигнала в диапазон изменения частоты следования импульсов на выходе генератора (и, следовательно, всего устройства), соответствующий моделируемому афферентному нейрону.

Использование последовательно соединенных через RC-цепочки управляемых напряжением генераторов (фиг.1) в устройстве для моделирования афферентного нейрона позволяет промоделировать еще некоторые свойства распространения импульсов вдоль нервного волокна, которые могут быть присущи не только афферентному нейрону, но и аксонам других клеток. Перепады напряжения во время генерации импульсов проходят через конденсатор

RC-цепочки 2 и преобразуются в экспо-:> ненциально изменяющиеся напряжения на входах генераторов. Отрицательное напряжение, появляющееся в момент генерации импульса предыдущим усилителем, не изменяет напряжение на выходе последующего генератора 1. Положительный перепад напряжения интегрируется на конденсатор 6 с постоянной времени входной цепи и, достигнув порогового уровня, вызывает генерацию импульса вторым усилителем 4, перепад напряжения на выходе которого от отрицательного значения к положительному заставляет сработать третий генератор 1 и т.д. По цепочке генераторов происходит распространение возникающего в первом генераторе импульса.

Особенность предлагаемого устройства для моделиРования афферентного нейрона заключается в том, что импульс в следующем генераторе возникает с большей задержкой, чем длительность генерируемого предыдущим генератором импульса на величину, определяемую параметрами RC-цепочки и постоянной времени интегрирования входной цепи генератора. Это позволяет сократить число генераторов в цепочке для получения той же величины задержки. Другой особенностью устройства является уменьшение времени задержки генерации импульса последующим генератором при увеличении частоты следования импульсов на выходе предыдущего. Такой эффект присущ реальным нервным проводникам, когда распространяющиеся с малыми межимпульсными интервалами пачки импульсов, увеличивая зону деполяризации нервных волокон, перескакивают через несколько перехватов Ранвье, увеличивая скорость проведения возбуждения. В устройстве этот эффект достигается автоматически вследствие увеличения положительного напряжения на входе генераторов по мере уменьшения скважности в последовательностях импульсов на выходе предыдущих генераторов, что требует меньшего времени интегрирования для достижения порога генерации.

Моделирование осуществляется в реальном времени с параметрами преобразования на отдельных элементах, аналогичными параметрам биологичесКНх структур, что позволяет осуществлять непосредственное сравнение результатов модельных и биологических экспериментов в форме, принятой в нейрофизиологических исследованиях.

Фо р мул а и з о б р е т е ни я

Устройство для моделирования афферентного нейрона, содержащее управляемый генератор импульсов, состоящий из первого и второго времязадающих резисторов, выпрямительного диода и времязадающего конденсатора, первая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, вторая обкладка времязадающего конденсатора через масштабирующий резистор подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с катодом разделительного диода, анод которого через резистор обратной связи подключен к второй обкладке времязадающего конденсатора, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен со средним выводом резистивного делителя, первый вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход операционного усилителя является выходом управляемого генератора, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью увеличения точности моделирования афферентного нейрона за счет воспроизведения в реальном масштабе времени процессов распространения сигналов по нервному волокну, в него введены источник изменяемого напряжения, и управляемых

1401490

Составитель А.Яицков

Техред И.Дидык

Корректор Г.Решетник

Редактор H.Ëàçàðåíêî

Подписное

Заказ 2787/49

Тираж 704

В11И!П!И Государственного окомитета СССР по ..-,с "IBM изобрстений и открытии

113035, Мо<-ква, Ж вЂ” 35, Раушская наб,, д, 4/5

Производственно-поли рафическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 генераторов и п дифференцирующих

RC-цепочек, управпяемые генераторы через дифференцирующие RC-цепочки соединены последовательно, вход пер- . вого управляемого генератора подключен к выходу источника изменяемого напряжения, выходы всех управляемых генераторов являются выходами устройства, в каждом. управляемом генераторе 1О первый вывод первого емязадающего резистора соединен с вхопом управляемого генератора, а его второй вы1 вод — с .анодом выпрямительного диода и через второй времязадающий резистор с анодом разделительного циода, катод выпрямительного диода подключен к второй обкладке времязадающего конденсатора, второй вывод резистивного делителя соединен с выходом операционного усилителя.