Устройство для моделирования адаптивного нейрона

 

ОП ИС-;А.НИ Ё

ИЗОБРЁХЕНИЯ

Союз Советскик

Социапкстическия

Республик

<>708368

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 270777 (21) 2511093/18-24 с присоединением заявки Йо (23) Приоритет

Опубликовано 0501.80-Бюллетень HP 1

Дата опубликования описания 0501.80 (51)М. Кл.2

G G 7/60

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 681.333 (088 .8) (72) Авторы изобретения

С.Н. Гринченко и С.Л. Загускин (71) ЗаяВИтЕЛЬ Ростовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

АДАПТИВНОГО НЕЙРОНА

Изобретение относится к области моделирования живых организмов и их подсистем и предназначено для использования в бионике — в частности, при создании систем искусственного интеллекта и управляющих систем роботов .

Известно устройство для моделирования, адаптивного нейрона, содержащее сумматор, последовательно соединенные блок пространственно-временного суммирования, первый функциональный преобразователь, блок экстремального регулирования, блок формирования уровня дисбаланса энергии, 15 второй и третий функциональные преобразователи (1) .

Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретению является устройство для моделирова- 20 ния адаптивного нейрона, содержащее блок пространственно-временного суммирования, выход которого подключен к первому входу первого функционального преобразователя и к входу блока формирования уровня дисбаланса энергии, выход блока формирования уровня дисбаланса энергии соединен с первым входом блока вы исления целевой функции оптимизации, первый 30 выход которого подключен к первому входу первого блока оптимизации, выход первого функционального преобразователя является выходом устройства и соединен с первьм входом регулируемого источника энергии, первый выход которого подключен ко второму входу первого функционального преобразователя (2).

Эти устройства не обеспечивают связи регуляторных механизмов чувствительности к входным воздействиям, осуществляемых изменениями концентраций кальция путем его высвобождения из тигроида, с регуляторными механизмами выходной активности через перистальтические изменения размеров сомы и аксонного холмика.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем воспроизведения связи регуляторных механизмов чувствительности к входным воздействиям с регуляторными механизмами выходной активности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство введены второй функциональный преобразователь, второй блок оптимизации и и блоков формирования входных сигналов, первые выходы которых подключены к со708 68

Ю(= (. Г„(К2(((")) ° (11 (1) 60

i-e нходное.воздействие; оператор выпрямления (первый интеграл функции Хэвисайда); коэффициенты; г„ ответствующим входам блока пространственно-временного суммирования, выход которого соединен со вторым входом регулируемого источника энергии, второй выход которого подключен к первому входу второго функционального преобразователя, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему и четвертому входам первого функционального преобразователя, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления целевой функции оптимизации, второй выход которого подключен к первому входу второго блока оптимизации, выход первого блока оптимизации соединен со вторым входом второ- 15 го функционального преобразователя, третий и четвертый выходы которого подключены к .второму и третьему входам второго блока оптимизации, четвертый вход которого соединен с 20 третьим выходом регулируемого источника энергии, третий вход которого подключен к выходу блока формиронания уровня дисбаланса энергии, выход которого соединен с третьим входом второго функционального преобразователя, пятый выход которого подключен к первым. входам и блоков формирования входных сигналов, вторые выходы которых объединены и подключены ко второму входу первого оптимизатора, выходы которого соединены со вторыми входами и блоков формирования входных сигналов, третьи входы которых являются входами устройства.

На чертеже изображена блок-схема устройства. Оно содержит и входов 1, и блоков формирования входных сигналов 2, второй блок оптимизации 3, блок 4 пространственно-нременного 40 суммирования, блок 5 вычисления целевой функции оптимизации, блок б

Формирования уровня дисбаланса энергии, регулируемый источник энергии 7, второй функциональный преобразова- 45 тель 8, первый блок оптимизации 9, первый функциональный преобразователь 10, выход 11.

Блок 2 представляет собой функциональный преобразователь реали—

Зующий зависимости: (1) 55 где х ФФ вЂ” эффективное значение

i-го входного воздействия; (3 - параметр коэффициентов чувствительности синапсов;

S - оператор интегрирования по времени;

М вЂ” приращение коэффициента чувствительности i-го синапса; ф - оператор интегрально дифФеренцирующего преобразоt вания;

1-я составляющая потока энергии, затрачиваемого на

Ф унк ци о ни ров а ии е м ног ок анального оптимизатора.

Блок 4 простанстненно-временного суммирования реализует функцию: х = ZV

1=1 эфа где x — суммарное входное воздействие;

N — число синапсон;

М -. несовые коэффициенты. (1 )

Блок 5 вычисления целевой функции оптимизации осуществляет преобразование;

Q = F (d)+ F (s), где () — целевая функция оптимизации энергетики нейрона; дх и

F — оператор инерционности;

Д= — уровень дисбаланса энергии; у — Функциональный выход нейрона (мгновенная частота импульсации) .

Блок 6 Формирования уровня дисбаланса энергии представляет собой дифференцирующее звено.

Регулируемый источник =-нергии 7 осуществляет функциональные преобразования: е© г();a,==г,;-к,а); Е„г(е, где E4, — энергия обеспечения функции нейрона (импульсной активности);

,p„> =F (ти,„, ° ) х -г ч )).

S - дискретное время;

on ератор пропорци он аль ноинтегрального преобразования;

E — энергия изменения размеров сомы нейрона;

БА» энергия изменения размеров аксоннorо холмика °

Функицональный преобразователь 8 реализ ует зав исимос ти:

3 " käi 1Д»-k

А» 5 — у — производная по времени;

"м. ь ",». )(ь

"с = "+

) в Б (с )+ кч где 3 „- сомааксонный индекс;

1о Е с 51Я ъ (д);

918/ - оператор релейного преобразования;

708:. 68 д ) дх — приращение размера аксонного холмика; размер аксонного холмика; размер с омы нейр он а; 5 — оператор релейного преобразования с зоной нечувствительности шириной E

Функциональный 10 преобразователь реализует зависимость: ч=к„к .(к -к„ч(ьк, g ssgn — ))

Принцип работы устройства состоит в следующем. Через 1-й вход 1 на

i-й блок 2 поступает входное воздействие x; i-й блок 2, имея парамет(1) рами соответствующую величину приращения коэффициента чувствительности синапса 5c() и общий для всех синапсов параметр коэффициента чувствительности, вырабатывает эффективное значение информационного выхо(11 да х а также энергетический выход Е ) . Изменения бд " и Р реализуют память блока 2, которая, таким образом, связывается с из.менениямии чувств итель ности синаптических мембран (- д с(1 — под влиянием мембранотропных белков) и изменениями дисбаланса энергетики в нейроне (p — под влиянием изменений внутриклеточных градиентов концентрации кальция). (i)

Информационные выходы х,к блоков

2 суммируются в блоке 4 прост ра нств енно-временного суммирования, давая значение сумматорного генераторного потенциала сомы нейрона х, энер- 35 гетические выходы Е(блоков 2 определяют интенсивность работы блока оптимизации 3 (т.е. величину его рабочего шага), изменяющего поисковым образом свой выход ЬД.так, чтобы 4() минимизировать целевую функцию Я ()

В. — Р (5+1) (5) 1(5) к А(5) () (- ь)) где Л - коэффициент итерации; д — сценка градиента. 4

Итера тив ный процесс (1 ) реализуетс я с помощью использования алгоритмов случайного поиска.

Одним из аргументов функции Я является степень нарушения равновесия энергетических процессов в соме нейрона d, которая оценивается в блоке 6 формирования уровня дисбаланса энергии, другим аргументом является величина функционального выхода у.

Обе эти величины характеризуют степень нарушения равновесия энергетических процессов в нейроне.

В регулируемом источнике энергия вырабатываются три потока энергии: энергия изменения размеров сомы Е«

60 энергия изменения размеров аксонного холмика E „ и энергия обеспечения функционального выхода нейрона Е . Эти потоки энергии используются в качестве дополнительных настроечных пара- 6 метров блок ов, в которых потребляется соответствующая энергия. Так, в функциональном преобразователе 8 энергия Е определяет интенсивность изменений размеров сомы 3 и, как следствие, сомааксонного инденса 3<А.

В блоке оптимизации 9 энергия EAWaa дает величину его рабочего шага. В функциональном преобраз ов ателе 1 0 энергия Еф является параметром функции вычисления значения мгновенной частоты импульсной активности нейрона, Функциональный преобразователь 8 вырабатывает означения величин, связанных с геометрическими размерами клетки: h c u h Ах — соответственно диаметры сомы и аксонного холмика, сомааксонный индекс Згд, определяющий декремент распространения генераторного потенциала к триггерной зоне:нейрона,, и его производная сд, параметр коэффициентов чувствительности синапсов )Ъ

Блок оптимизации 9 вырабатывает значение приращения диаметра аксонного холмика, также имея своей целью минимум ф унк ции

АХ(5+1) АХ 5) л

)п (p q q ) В(()дх() а(5) АХ(5) с(5) АХ(5)) д д 11

ПеРеменные ho u ))дх использУютсЯ в алгоритме экстремального регулирования (одноканальной оптимизации) для ограничения величины его рабочего шага . Морфологическим выражением механизма экстремального регулирования являются колебательные изменения агрегации митохондрий, сопровождающиеся активацией либо контактным угнетением их окослительного мета боли зма . функциональный преобразователь 10 на основе учета важнейших внутренних переменных моцели х,ЕФ, 3 и Э- вь)рабатывает значение ее фунQt кционального (импульсного) выхода.

Эта величина, таким образом, очень существенно зависит от переменных, характеризующих энергетику и внутреннюю структуру нейрона.

Введение в усТройство указанных блоков и соответствующих связей позволило воспроизвести совокупность наблюдаемых в цитохимических экспериментах особенностей поведения структурно- метаболических механизмов сомы нейрона, и в том числе функциональных изменений геомет— рических размеров сомы и аксонного холмика, связи регуляторных механиэсов чувствительности к входным воз- . действиям, осуществляемыми изменениями концентрации кальция путем его высвобождения из тигроида, с регуляторными механизмами выходной

70636Е

Формула изобретения

Заказ 8490/45

Псдписное

ЦНИИПИ

Тираж 751

nornru Змра г активности через перистальтические изменения размеров сомы и аксонного холмик а .

Устройство для моделирования адаптивного нейрона, содержащее блок пространственнб-временного суммирования, выход которого подключен к первому входу первого функционального преобразователя и к входу блока формирования уровня дисбаланса энергии, выход блока формирования уровня дисбаланса энергии соединен с 15 первым входом блока вычисления целевой функции оптимизации первый выход которого подключен к первому входу первого блока оптимизации, выход первого функционального преобразователя является выходом устройства и

4 соединен с первым входом регулидуеог о источника энергии, первый выход которого подключен ко второму входу первого Функционального. преобразователя,отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет воспроизведения связи регуляторных механизмов . чувствительности к входным воздействиям с регуляторными механизмами вы- 30 ходной активности,в устройство введены второй функциональный преобразователь, второй блок оптимизацйи и и блоков формирования входных сигналов, первые входы которых подключены к со- 35 ответствующим входам блока пространственно-временного суммирования, выхОд которого соединен со вторым входом регулируемого источника энергии, второй выход которого подключен к первому входу второго функционального преобразователя, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему и четвертому входам первого функционального преобразователя, выход которого соединен ""о вторьм входом блока вычисления целевой функции оптимизации, второй выход которого подключен к первому входу второго блока оптимизации, выход первого блока оптимизации соединен со вторым входом второго функционального преобразователя, третий и четвертый выходы которого подключены к второму и третьему входам второго блока оптимизации, четвертый вход которого соединен с третьим .выходом регулируемого источника энергии, третий вход которого подключен к выходу блока формирования уровня дисбаланса энергии, выход которого соединен с третьим входом второго функционального преобразователя, пятый выход которого подключен к первым входам И блоков формирования входных сигналов, вторые выходы которых объединены и подключены ко второму входу первого оптимизатора, выходы которого соединены со вторыми входами 11 блоков формирования входных сигналов, третьи входы которых являются входами устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 553635, кл. G 06 G 7/60, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

М 561198, кл. G 06 G 7/60, 1975 (прототип) .

Филиал ПППБ Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4