Устройство для моделирования нейронных структур двигательного аппарата

 

Изобретение относится к вычислительной технике и позволяет повысить точность моделирования взаимодействия нейронных структур двигательного аппарата. Устройство содержит блок 1 моделирования нейронов, соединенный с блоком 17 индикации, блоком 16 регистрации и блоком 19 коммутации. К блоку 19 подключены блок 6 моделирования синапсов, блок 10 моделирования мембран и блок 13 моделирования аксонов, а также выходы блока 18 задающих генераторов, другие выходы которого соединены с входами блока 15 моделирования механической нагрузки. К вторым входам блока 15 подсоединены выходы блока 14 моделирования свойств мышц, другие входы и выходы которого соединены с соответствующими выходами и входами блока 13. Выходы блоков 14 и 15 подключены к соответствующим входам блока 16 регистрации и блока 17 индикации. Блок 19 коммутации содержит блок 12 переключателей, связанный с блоком 13. Входы блока 12 соединены с выходами первого наборного поля 5, соединенного с блоком 1. Выходы блока 12 соединены с входами второго наборного поля 9, соединенного с блоком 6. Третье наборное поле 11, входящее в состав блока 19, соединено с блоком 10 моделирования мембран, напорные поля 11, 9 соединены с первым наборным полем 5. Выбор модели нейронной структуры осуществляется коммутационными шнурами наборных полей 5, 9, 11 и отображается в блоке 17. Отдельные группы моделей нейронов подключаются через блоки 12 и 13 к входам блока 14, на выходах которого формируются сигналы о состояниях мышц и скоростях изменения. С выходов блока 18 задающих генераторов подаются тестирующие сигналы для исследования реакции отдельных элементов структуры. Характер импульсной активности моделей нейронов и состояние моделей мышц также отображаются в блоках 17 и 16. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.gg)SU аш (g1)g G 06 С 7/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4023232/24-63 (22) 12.02.86 (46) 15.08.90. Бюл. Р 30 (71) Институт физиологии им.

И.П.Павлова (72) С.П.Романов (53) 681.335(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и= 478329, кл. С 06 C 7/60, 1973. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

НЕЙРОННИХ СТРУКТУР ДВИГАТЕЛЬНОГО

АППАРАТА (57) Изобретение относится. к вычислительной технике и позволяет повысить точность моделирования взаимодействия нейронных структур двигательно

ro аппарата. Устройство содержит блок 1 моделирования нейронов, соединенный с блоком 17 индикации, блоком 16 регистрации и блоком 19 коммутации. К блоку 19 подключены блок

6 моделирования синапсов, блок 10 моделирования мембран и блок 13 моделирования аксонов, а также выходы блока 13 задающих генераторов, другие выходы которого соединены с входами блока 15 моделирования механической нагрузки. К вторым входам блока 1,5 подсоединены выходы блока 14 моделирования свойств мьппц, другие входы и выходы которого соединены с соот2 ветствующими выходами и входами блока 13. Выходы блоков 14 и 15 подключены к соответствующим входам блока

16 регистрации и блока 17 индикации, Блок 19 коммутации содержит блок 12 переключателей, связанный с блоком

13 моделирования аксонов. Входы бло» ка 12 соединены с выходами первого наборного поля 5, соединенного с блоком 1. Выходы блока 12 соединены с .входами второго наборного поля 9, соединенного с блоком 6. Третье наборное поле 11, входящее в состав блока 19, соединено с блоком 10 моде.лирования мембран, и наборные поля

11,9 соединены с первым наборным полем 5. Выбор модели нейронной структуры осуществляется коммутационными шнурами наборных полей 5,9,1 1 и отражается в блоке 17. Отдельные группы моделей нейронов подключаются через блоки 12 и 13 к входам блока

14, на выходах которого формируются сигналы о состоянии мьппц и скоростях изменения. С выходов блока 18 задающих генераторов подаются тестирующие сигналы для исследования реакции отдельных элементов структуры. Харак тер импульсной активности моделей нейронов и состояние моделей мышц также отображаются в блоках 17 и 16.

3 ил.

C: 3 1585809 4

Изобретение относится к вычисли- . тельной технике и может быть использовано для изучения взаимодействия нейронных структур путем моделирова ния.

Цель изобретения — повышение точности моделирования взаимодействия нейронных структур двигательного аппарата. 1О

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — функциональная схема блока моделирования свойств мьгшц; на фиг.3функциональная схема блока моделиро- IS вания механической нагрузки.

Устройство для моделирования нейронных структур (фиг.1) содержит блок 1 моделирования нейронов, в котором каждый аналог нервной клетки 20 состоит иэ преобразователя 2 аналогового напряжения в импульсный поток, к входам которого подключены сумматоры 3 один непосредственно„ а другой — через инвертор 4, Выходы преоб- 25 раэователей 2 являются выходами блока 1 моделирования нейронов и подклю" чены к выходам первого наборного поля 5, первые и вторые входы которого подключены к входам соответствующих сум- 30 маторов 3 аналогов нейронов, являющихся входами блока 1 моделирования нейэонов. Блок б моделирования синапсов состоит иэ цепочек последовательно соединенных схемы 7 временного суммирования и электронного ключа 8„ а входы и выходы цепочек соединены с входами и выходами второго наборного поля 9. Выходы блока 10 моделирования мембран соединены с выходами третье- 4п го наборного поля 11, которые подключены к входам первого наборного поля

5, к которым подключены также выхсды второго наборного поля 9, часть которых соединена с входами собственного 45 наборного поля, к другим входам которого подключены выходы первого наборного поля 5. Блок 12 переключателей через свои первые входы и выходы.и первые входы и выходы блока 13 моделирования аксонов связывает выходы первого наборного поля 5 с первы- . ми входами блока 14 моделирования свойства мьппц и их рецепторных образований, первые выходы которого через вторые входы и выходы блока 13 моделирования аксонов и вторые входы и выходы блока 12 переключателей соединены с входами второго наборного иоля 9, а вторые входы и выходы блока

4 моделирования свойств мышц соединейы через выходы и первые входы блока

15 моделирования механической нагрузки. Все входы и выходы блока 14 моделирования свойств мышц соединены с входами блока 16 регистрации и с входами блока 17 индикации, к которым подключены третьи выходы блока 12 переключателей, к третьим входам которого подключены первые выходы блока 18 задающих генераторов, вторые выходы которого подключены к вторым входам блока 15 моделирования механической нагрузки, а выходы преобразователей ? также подключены к входам блока 17 индикации. Наборные поля 5,9,11 и блок 12 переключателей образуют блок 19 коммутации.

Блоки 1,6 и 10 моделирования нейронов, моделирования синапсов и моделирования мембран нервных клеток соответственно содержат отдельные струк. турно-функциональные элементы модели нейрона, которые конструктивно и пространственно разделены в предлагаемом устройстве для моделирования нейронных структур системы управления движением, а их входы и выходы выведены на соответствующие наборные поля.

Блок 12 переключателей выполнен как набор тумблеров и переключателей, с помощью которых осуществляется от-. ключение или подкжжение отдельных элементов структуры в процессе ис— следования или замыкание и размыкание каких-либо связей структуры.

Блок 13 моделирования аксонов выполнен иэ отдельных цепочек последовательно соединенных формирователей импульсов, в каждой из которых осуществляется задержка генерации импульса на выходе по отношению к моменту активации входа. лок 14 моделирования свойств мьпнц и их рецепторных образований содержит аналоги мьппцы, например модели мьппцы, первые входы и выходы которых представляют собой импульс-: ные входы и выходы, а вторые входы и выходы являются аналоговыми, напряжения на которых интерпретируются соответственно в терминах длины и силы мьппцы, 1

Блок 15 моделирования механической нагрузки моделирует свойства внешней среды и воспроизводит пара-.

1585809 метры подвижных звеньев конечности, положением которых управляют сокращающиеся и развивающие силу под действием импульсаиии на первых входах блока 14 различные мышечные группы.

Блок 1б регистрации включает осциллографы для наблюдения и регистрации на кино- или фотопленку импульсных потоков и аналоговых сигналов, устройства преобразования и кодирования межимпульсных интервалов и аналоговых напряжений для последующей обработки на ЭВМ с возможным 15 выводом информации о результатах экспериментов на цифропечать и графопостроители.

Блок 17 индикации включает информационное табло с расположенными на нем в определенном порядке светодиодами, включение которых осуществляется через согласующие схемы самими сигналами, которые поступают в виде импульсных потоков от нейронной струк-25 туры и в виде аналоговых напряжений, соответствующих изменению состояний объекта управления и аналогов мышц.<

Блок 18 задающих генераторов содержит генераторы импульсов и гене- 30 раторы аналоговых сигналов различной .формы, например линейно-изменяющегося напряжения или напряжения прямоугольной формы, а также сигналов трапецеидальной формы. 35

Кроме укаэанных связей устройства к регистрируюпей аппаратуре для наблюдения и анализа сигналов могут быть подключены любые другие точки нейронной структуры и моделей мьппцы, 40 изменение напряжений в которых необходимо исследовать для изучения закономерностей передачи информации и характера ее преобразования, определяемых функционированием целостной 45 структуры исследуемой системы, а именно ее модели.

На фиг.2 представлена схема блока

14 моделирования свойств мьппц и их рецепторных образований. Собственно 50 модель мьппцы представлена на чертеже отдельным функциональным блоком

20, имеющим вход 21 импульсных сигналов, вход 22 аналогового сигнала

"Длина мышцы" и выход 23 "Сила", раз- 55 виваемая мьппечным волокном. К мьппечным рецепторам растяжения относятся сухожильные органы Гольджи и веретена — сложные структурные образования, имеющие в своем составе сократимые структуры — интрафузальные мышечные волокна. Свойства сухожильного органа Гольджи моделируются блоком 24, в котором передаточными характеристи-. ками пропорционально-дифференцирующего звена 25 моделируются упруговязкие свойства капсулы сухожильного органа, а на преобразователе 26 аналогового напряжения в импульсньпЪ поток воспроизводятся характеристики преобразования рецепторного потенциала в распространяющиеся по аксонам афферентного нейрона импульсы, несущие в нервную систему информацию о напряжениях, возникающих в мьппцах. Свойства мышечного веретена мо- * делируются блоком 27, в состав которого входят модель мьшщы 20,а свой- . ства рецепторных образований вере- . тена моделируются пропорциональнодифференцирующими звеньями 28 н 29 и подключенными к ним преобразователями 30 и 31, являющимися соответственно аналогами преобразования рецепторных потенциалов первичных и вторичных окончаний в импульсные потоки в афферентных волокнах Ia u II .групп. Выходы 32 всех рецепторных образований являются первыми выходами блока 14 моделирования свойств мьшпц и их рецепторных образований.

В блоке 14 содержится несколько аналогов мышц и их рецепторных образований, которые через входы и выходы бока 15 моделирования механической нагрузки соединяются в группы, имитирующие работу мьппц синергистов и антагонистов подвижных звеньев конечностей. В этом случае входы 22 и выходы 23 являются вторыми входами и выходами блока 14.

На фиг.3 представлена схема блока 15 моделирования механической нагрузки, в основе которого лежит схема блока моделирования механических свойств внешней среды. Объект управления осуществляет преобразование сил, развиваемых мьппцами, в ускорение, сообщаемое подвижному звену, которое сравнивается с заданным ускорением силы тяжести. Разность ускорений в результате двойного интегрирования преобразуется последова тельно в скорость и изменение длины мьппцы, которое определяет положение подвюкных зеньев,-к которым прикреплены эти мышцы. В отличие от указан-.

1585809 ного в модели мышцы блок 15 моделирования механической нагрузки содер жит сумматор 33, к входам которого подключень1 выходы 23 аналогов мьппц5 антагонистов, которые осуществляют сгибание конечностей в суставах. Выход этого сумматора подключен к вхо,ду сумматора 34, к другим входам которого подключены выходы 23 аналогов мышц-антагонистов, осуществляющих разгибание подвижных звеньев конечностей в суставах. Далее выход сумматора 34 подключен к усилителю 35, значение сопротивления переменного резис.15 тора 36 на входе которого соответст9, вует массе грузов, которые могут

"Поднимать мьппцы. Выход усилителя

35 подключен к первому входу интегратора 37, к второму входу которого через резистор подключен выход делителя 38, напряжение на котором соответствует значению выбираемой силы тяжести. Выход интегратора 37 подклочен к входу. второго интегратора 39, 25 выход которого через переключатель

40 соединен с входом инвертора 41.

Вход 42 соединен с вторым выходом блока 18 задающих генераторов, а выходы 43 и 44 являются выходами блока 15 моделировайия механической нагрузки, которые соединены с вторыми входами 22 блока 14 моделирования свойств мьппц и их рецепторных образований Кроме того выход интеграФ 9

35 тора 39 соединен с входом нуль-органа 45, к второму вхоцу которого подключен делитель 46, напряжение на выходе которого соответствует устанавливаемой длине ограничения растяжения мьппц (ограничение в суставе), а выход нуль-органа 45 через диод соединен с обмоткой реле 47, контакты

48 которого через второй диод включены в цепь обратной связи интегратора 37 параллельно конденсатору.

Устройство для моделирования нейронных структур системы управления движением работает следующим образом.

После включения питания отдельных

„блоков. на блоке 17 индикации светодиодами отражается состояние отдельных элементов блоков 1 и 14: светодиоды отражают характер импульсной активности нейронов, светящиеся стол-. бики и площадки характеризуют длину отдельных мышц, развиваемое ими напряжение, величину воздействующих на подвижные звенья конечности грузов.

Включается необходимая для исследования регистрирующая и,обрабатывающая аппаратура. Коммутационными шнурами на наборных полях 5,9 и 11 осуществляется набор необходимой организации. входов нейронов, свойств мембран, определяющих размер моделируемой клетки, и связи между нейронами, соответствующие исследуемой нейронной структуре. Структура набираемых связей отражается в блоке 17 индикации, кото-, рый помогает визуально контролировать и оценивать в целом работу многопараметрической системы. Отдельные группы нейронов через блок 12 переключателей и блок 13 моделирования аксонов подключаются к входам 21 блока 14 моделирования свойств мышц, выходы

32 которого подключаются через блок

13 моделирования аксонов и блок 12 переключателей к входам нейронов, неся информацию в виде импульсных потоков о состоянии периферического звена (напряжениях и длинах мышц и скоростях их изменения) — объекта управления для нервной системы. С помошью блока 18 задающих генераторов на отдельные элементы нейронной структуры или на импульсные. входы аналогов мьппц от генераторов импульсов через блок 12 переключателей могут подаваться тестирующие посылки для исследования реакции отдельных элементов структуры. Моделям мышц, кроме воспроизведения различных режимов их рабо-!. ты изменением массы грузов (переменный резистор 36) или изменением уско-,. рения силы тяжести (делитель 38 напряжения), можно задавать изменение их длины программно от генератора аналоговых напряжений при установке переключателя 40 в соответствующее положение, когда подключается второй вход в блоке 15 моделирования механической нагрузки, Такой режим необходим, например, для воспроизведения на устройстве условий нейрофизиологических экспериментов по исследованию активности мьппечных рецепторов растяжения, чтобы показать адекватность поведения отдельных элементов или звеньев структуры и затем перейти к изучению из взаимодействия в целостной сети.

Выделение отдельных узлов аналогов нейронов в самостоятельные функциональные блоки коренным образом изменяет возможности экспериментирова1585809

10 ния на искусственных нейронных сетях, позволяя перейти к изучению механизмов переработки информации в структурах, максимально приближенных к реальным.

Формула изобретения

1О

Устройство для моделирования нейронных структур двигательного аппарата, содержащее блок моделирования нЕйронов, первые выходы которого подключены к первым входам блоков инди- 15 кации, регистрации и коммутации, входы блока моделирования нейронов через блок коммутации соединены с выходами блоков моделирования синапсов,а вторые входы блока коммутации соединены с пер- 20 выми выходами блока задающих генераторов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности .моделирования взаимодействия нейронных структур двигательного аппарата, 25 устройство содержит блоки моделирования мембран, выходы которых через блок коммутации подключены к соответствующим входам блока моделирования нейронов, вторые выходы блока задающих генераторов соединены с первыми входами блока моделирования механической нагрузки, выходы которого соединены с вторыми -входаии блока индикации, блока регистрации и первым входом блока моделирования свойств мьппц, второй вход блока моделирования механической нагрузки соединен с первым выходом блока моделирования свойств мьппц и третьими входами блоков индикации и регистрации, вторые входы и вторые выходы блока моделирования свойств мьппц соединены соответственно с четвертыми и пятыми входами блока индикации и блока регистрации и через блок моделирования аксонов — с выходами блока коммутации, первый выход которого соединен с шестыми входами блока индикации и блока регистрации, причем блок коммутации содержит блок переключателей, первые входы и выходы

1 которого образуют выводы подключения блока моделирования аксонов, вторые входы соединены с первыми выходами первого наборного поля, первые входы которого образуют первые входы блока коммутации, вторые и третьи выходы образуют выходы подключения блока моделирования нейронов, дополнительные выводы связаны с дополнительными выводами второго и третьего наборных полей, первые входы и выходы второго наборного поля образуют вы воды подключения блока моделирования синапсов, а вторые входы второго наборного поля соединены с вторыми выходами блока переключателей, входы третьего наборного поля образуют вы»воды подключения блока моделирова ния мембран.

Яф

1585809

Составитель A.Âàñèëüåâ

Техред А.Кравчук Корректор С,Шевкун

Редактор С.Лисина

Подписное

Заказ 2328

Тираж 559

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101