Устройство для моделирования нейрона неокортекса

 

Изобретение относится к облас1 медицинской техники и может быть использовано при исследовании механизмов мозга методами аналогового моделирования, а также в нейрофизиологических зкспериментах. Цель изобретения - повышение достоверности моделирования деятельности нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионных процессов возбуткдения по коре моноаминов на его модуляцию. Поставленная цель реализуется в результате введения в состав известного устройства блоков моделирования термозящих 19 и возбуждающих рецепторов моноаминов, триггера 21, нелинейного злемента 22 и блока 23 моделирования диффузионных процессов моноаминов. Предложенное устройство обладает способностью значительно изменять функциональное состояние нейрона неокортекса при действии нейронов эмоциональных центров с на входы рецепторов моноаминов, позволяя тем самым моделировать механизмы эмоциональных реакций на клеточном уровне. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 1(0 00 Фие.1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5р 4 G 06 G 7 60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

Г1О изОБРетениям и ОтнРытиям

IlPH ПКНТ СССР (21) 4180786/28-14 (22) 14.01.87 (46) 07.03.89. Бюп. № 9 (71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) А.Г.Жуков, А.А.Колесников, Н.А.Савельева и А.В.Савельев (53) 681.333 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 512478, кл. G 06 G 7/60, 1974. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

НЕЙРОНА НЕОКОРТЕКСА (57) Изобретение относится к области медицинской техники и может быть . использовано при исследовании механизмов мозга методами аналогового моделирования, а также в нейрофизиологических экспериментах. Цель изобретения - повышение достоверности

„.Я0„„1464181 А 1 моделирования деятельности нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионных процессов возбуждения по коре моноаминов на

его модуляцию. Поставленная цель реализуется в результате введения в состав известного устройства блоков моделирования термозящих 19 и возбуждающих рецепторов моноаминов, триггера 21, нелинейного элемента 22 и блока 23 моделирования диффузионных процессов моноаминов. Предложенное устройство обладает способностью значительно изменять функциональное состояние нейрона неокортекса при действии нейронов эмоциональных центров а ф на входы рецепторов моноаминов, позволяя тем самым моделировать механизмы эмоциональных реакций на клеточ- ° ном уровне. 2 з.п. ф-лы, 3 ил, 1

1464181

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при исследовании механизмов мозга методами аналогового моделирования, а также в нейрофизиологических экспериментах, Пель изобретения — повышение достоверности моделирования пеятельности нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионных процессов возбуждения по коре моноаминов на его модуляцию.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 — схема 15 блока моделирования рецепторов моноаминов; на фиг.3 — схема блока моделирования диффузионных процессов моноаминов.

Устройство для моделирования ней- 20 рона (фиг.1) содержит возбуждающие 1 и тормозящие 2 входы блоков моделирования возбуждаюших 3 и тормозящих

4 синапсов,.в состав этих блоков входят элементы 5 задержки, буфер- 25 ные каскады 6 и управляемые резисторные элементы 7 с накопителями 8, аддитивный сумматор 9, элемент 10 сравнения, блок 11 формирования порога второй интегратор 12,, преобразователь 30

13 напряжения в частоту, первый интегратор 14, формирователь 15 импульсов, блок 16 управления синапсами, двухвходовые сумматоры 17 и 18, блоки моделирования тормозящих 19 и воз- 35 буждающих 20 рецепторов моноаминов, триггер 21, нелинейный элемент 22 и блок моделирования диффузионных про-. цессов моноаминов 23, Бпоки моделирования тормозящих 19 40 и возбуждающих 20 рецепторов моноаминов содержат последовательно соединенные блоки 24 задания весовых коэффициентов и блоки 25 задержки, второй сумматор 26, третий интегратор 27 и релейный элемент 28.

Блок 23 моделирования диффузионных процессов моноаминов содержит первый 29, второй 30 и третий 31 ключи, первый 32 и второй 33 диоды, элементы ИЛИ 34, первый 35 и второй

36 элементы НК-И.

Устройство для моделирования нейрона неокортекса .работает следующим образом, .55

На возбужцающие . и тормозящие 2 входы блоков моделирования синапсов соответственно возбужцающих 3 и тормозящих 4, поступают испульсные последовательности — выходные сигналы других нейронов, Задерживаясь в элементах 5 зацержки на время синаптической задержки и инвертируясь в элементах 5 тормозящих блоков 4, сигналы поступают через буферные каскады 6 на управляемые резисторные элементы 7 с накопителем 8. На выходе каждого накопителя 8 выделяется напряжение, пропорциональное частоте следования импульсов, устанавливаюш,— ее соответственное значение сопротивление элемента 7, уменьшающее проходимость синапсов с увеличением частоты. Масштабированное таким образом импульсное напряжение с выходов блоков 3 и 4 моделирования синапсов поступает на входы аддитивного сумматора 9, где происходит их пространственно- временное суммировани

Э о напряжение подается на первый вход элемента 10 сравнения, где сравнивается с разностью напряжений, подаваемой по второму входу с выхода блока 11 формирования порога и третьему входу элемента 10 с выхода второго интегратора 12. В исходный момент времени это напряжение представляет собой начальные условия интегратора 12, зависящие от предыдущих активаций устройства. При частой активации порог снижается (интегратор не успевает разрядиться).

При частой активации устройства на пряжение на выходе ингегратора 12 возрас ает и, поступая в блок 16 управления синапсами, производит уменьшение их весов управляющими напряжениями, подаваемыми через сумматоры 17 и 18 на вторые входы накопителей 8, где суммируются с имеющимися на них напряжениями.

Если блоки моделирования тормозящих 19 или возбуждающих 20 рецепторов моноаминов не активизированы, т.е. напряжение на них равно и пауза после предыдущей активации достаточно велика, то работа устройства не отличается от работы известного устройства.

Если на входы блока 19 моделирования тормозящих рецепторов моноаминов подаются выходные импульсы нейронов центров отрицательных эмоций, то эти импульсы подвергаются следующим преобразованиям. Сначала эти импульсы масштабируются в блоках 24 задания весовых коэффициентов и за1464181 держиваются на время диффузии амина в блоках 25 задержки (значительно превышает время синаптической задержки элементов 5). Затем они суммируют-. ся во втором сумматоре 26 и поступают на вход интегратора 27 с большой постоянной времени, на выходе которо-. го устанавливается среднее значение частоты. При превышении порога ре- 10 лейного элемента 28 происходит ñðàбатывание триггера 21, что приводит к появлению единицы на его выходе и установке ключей в положение, пока занное на фиг, 3 (ключи 29 и 30). 15

При этом сигнал единицы с релейного элемента 28 поступает также на входы элементов НЕ-И 35 и 36, что приводит к появлению единицы на выходе элемента ИЛИ 34 и замыканию третьего 20 ключа 31. Если в этот момент нейрон возбужден, т. е. генерирует импульсы,: и напряжение на выходе сумматора 9 больше нуля и превьппает величину зоны нечувствительности элемента 22, ! то на выходе последнего появляется положительное напряжение, пропорцио-. . нальное выходному напряжению сумматора 9 и поступающее через ключ 31 на встречно-параллельно включенные 30 диоды 32 и 33. Так как напряжение положительное, то открывается только .один включенный в прямом направлении . диод 32 и напряжение проходит через замкнутый первый ключ 29 (фиг. 3) на первые входы двухвходовых сумматоров 17 возбуждающих синапсов 3.

Это напряжение суммируется с суммой напряжений с выхода блока 16 и напряжения накопителя 8, в связи с чем 40 еще больше уменьшает эффективность всех возбуждающих синапсов. Если нейрон гиперполяризован действием тормозящих сигналов с тормозящих входов 2 и напряжение на выходе сум- 4В матора 9 отрицательно и превьппает зону нечувствительности элемента 22, то на его выходе появляется отрицательный сигнал, пропорциональный выходному напряжению сумматора 9, я0 поступающий через ключ 31 по цепи с встречно включенным диодом 33, через второй ключ 30 (фиг. 3) на первые входы с инверсией сумматоров 18, соединенных выходами с накопителями 8 тормозящих 4 синапсов. При возраста нии гиперполярнзации нейрона (т.е. при большей активации тормозящих входов) синаптические коэффициенты передачи будут также уменьшаться, так как отрицательное управляющее напряжение описанной обратной связи через диод 33 инвертируется, поступая на инвертирующие входы сумматоров 18, и будет складываться с поступающими на накопитель положительнымн напряжениями через сумматор 18 и с выхода буферных каскадов 7. Таким образом, если задействован отрицательный канал рецепторов аминов отрицательньм эмоций, действие амина притормаживает нейрон, если он возбужден, и возбуждает, если он заторможен, т.е. обратные связи и в том и в другом случае являются отрицательными.

Аналогичным образом осуществляется преобразование сигналов, если импульсы начинают поступать на входы блока 20 моделирования возбуждающих рецепторов моноаминов. Только в этом случае выходной сигнал с блока 20 устанавливает триггер 21 в нулевое положение и переключает ключи 29 и 30, меняя тем самым полярность подключения диодов 32 и 33 к каналам управле жя синаптическнми коэффициентами блоков моделирования возбуждающих 3 и тормозящих 4 синапсов. В результате этого снижается эффективность тормозящих. синапсов, т.е. нейрон становится более возбудимым.

Таким образом, моноамины, выделяемые нейронами эмоциональных центров, соответствующие положительным эмоциям, действуют на нейрон так, что, если он был возбужден, то становится еще более возбужденным, а если был заторможен, то становится еще более заторможенным.

В случае одновременной стимуляции входов блоков 19 и 20 на выходах релейных элементов 28 появляется напряжение логической единицы, В ре ». зультате этого срабатывает логическая схема на элементах HE-И 35 и 36, на выходе элемента ИЛИ 34 появляется сигнал нуля и ключ 31 приходит в разомкнутое состояние, в результате чего обратная связь размыкается.

После прекращения стимуляции входов блоков 19 или 20 интеграторы 27 медленно разряжаются, долго сохраняя еще уровень напряжения на выходе, достаточный для срабатывания релейных элементов 28, что моделирует процессы распада моноаминов после прекращения их выцеленкя, т. е. их остаточное действие,, продолжающееся некоторое время, 1. Устройство для.моделирования нейрона неокортекса, содержащее блоки моделирования синапсов, аддитивный 1 сумматор, блок сравнения, преобразователь напряжения в частоту, первый и второй интеграторы, формирователь выходных импульсов, формирователь порога, блок управления синапсами, причем выходы блоков моделирования синапсов соединены. с входами аддитивного сумматора, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход которого подключен к первому входу преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, выход которого является выходом устройства, второй выход преобразователя напряжения в частоту через последовательно соединенные интеграторы подключен к второму входу блока сравнения, выход первого интегратора, кроме того, подключен к второму:еходу преобразователя напряжения в частоту, входы блоков моделирования синапсов соединены с входами блока формирования, порога, выход которого соединен с третьим входом блока сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыиения достоверности моделирования деятельнссти нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионных процессов возбуждения по коре моноаминов на его модуляцию„ в него введены блоки моделирования рецегторсв моноаминов, . триггер, нелинейный элемент, блок

I моделирования диффузионных процессов монааминов и двухвходовые сумматоры по числу блоков моделирования синапсав, причем выходы блоков моделирования рецепторов моноаминов соединены с соответствующими входами триггера и соответственно с первым и вто." рым входами блока моценирования диффузионных процессов монааминов, третий вход которого соединен с выходом триггера, выход которога также соединен с первым входом нелинейного элемента, второй вход которого соединен также с выходом адднтивнога сумматора, выход нелинейного элемента

5 1ч 64181 6 соединен с четвертым входом блока моделирования диффузионных процессов моноаминов; первый и второй выходы

5 которого подключены к соответствуюФ о р м у л а и з о б р е т е н и я щим первым входам двухвходовых сумматоров, к вторым входам которых подключены соответствующие выходы блока управления синапсов, вход кокоторого соединен с выходом второго интегратора, выход двухвходовых сумматоров соединен с управляющим входом блоков моделирования синапсов.

2. Устройство по и. 1, о т л и

1б ч а ю щ е е с я тем, что блоки моделирования рецепторов моноаминов содержат последовательно соединенные блоки задания весовых коэффициентов и блоки задержки., второй сумматор, рб,третий интегратор, релейный элемент, причем выходы блока задержки соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен с входом третьего интегратора, выход которого

25 соединен с входом релейного элемента, выход которого является выходом блока моделирования рецегторов моноаминов.

30 3. Устройство по и„ 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок мо делирования диффузионных процессов моноаминов содержит три ключа, два диода, элемент ИЛИ> два элемента

НЕ-И, причем каждый неинвертирующий вход каждого элемента НЕ-И соединен с инвертирующим входом другого элемента, объединенные таким образом, входы образуют первый и второй вхоgg ды логического блока, выходы элементов НЕ-И соединены с входами эле.мента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, вход которого является четвертым вхо .".

45 дом логического блока, выход третьего ключа соединен с анодом первого диода, катод которого подключен к входу первого ключа, а также выход третьего ключа соединен с катодом

rg,второго диода, анод которого соединен с входом второго ключа, нормально замкнутый выход первого ключа соединен с нормально разомкнутым выходом второго ключа и образует первый

Бб б выход логического блока, нормально разомкнутый выход первого ключа сое-, динен с нормально замкнутым выходом второго ключа и образует второй выход логического блока.

1464181

Составитель А.Сапко

Корректор Н. Король

Редактор А. Ворович Техред М, Ходанич

Заказ 827/53 Тираж 667 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская иаб., д. 4!5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Уы ород, ул. f гагарина, 101