Устройство для моделирования нейрона

 

В.Л. Кузьменко, Е.Н. Панасюк, 0.0. Кущ (72) Авторы (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА

Изобретение относится к аналоговому моделированию и предназначено для физиологических и биофизических экспериментов при изучении явления гиперполяриэации нейтронов в формировании организации нейронных сетей и их работы. Кроме того, устройство может найти применение в формировании адаптивных нейронных процессов, в основе которых лежит переменность порога возбуждения и гиперполяризация.

1О

Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее источники входных импульсов и сумматор, выход которого через последовательно соединенные схему сравнения и преобраIS зователь напряжения в частоту подклю" чен к блоку формирователя выходных импульсов 1 .

Недостаток данного устройствасравнительно низкая точность.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для моделирования нейрона, 2 содержащее. преобразователи частоты в напряжение, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого через последовательно соединенные схему сравнения и преобразователь напряжения B частоту подключен к блоку формирователя выходных импульсов (2).

Недостатками известного устройства являются постоянство порога возбуждения и частичная. потеря информации на выходе, так как нельзя точно определить, за счет чего происходит изменение частоты на выходе: эа счет активности возбуждающих или тормозящих входов.

Цель изобретения - повышение точности моделирования за счет учета свойств гиперполяризации и переменности порога возбуждения нейрона.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первую группу преобразователей частоты в напряжение, выходы которых подключены к

3 89474 к соответствующим входам первого сумматора, схему сравнения и преобразователь напряжения в частоту, выход которого через формирователь выходных импульсов соединен с выходом устройства, введены ключи, два преобразователя частоты в напряжение, второй сумматор, два интегратора и вторая группа преобразователей частоты в напряжение, выходы которых подклю- >в чены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соединен со входом первого ключа и входом первого интегратора, выход которого подключен к выходу первого ключа и ,первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с управляющим входом второго ключа, выход первого сумматора подключен ко входу второго интегратора и входу третьего ключа, выход которого соединен с выходом второ рого интегратора, вторым входом схемы сравнения и входом второго ключа, выход которого подключен ко входу преобразователя напряжения в частоту, управляющие входы первого и треть25 его ключей соединены соответственно с выходами первого и второго преобразователей частоты в напряжение, входы всех преобразователей частоты в напряжение являются входами устройства.

На чертеже представлена схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит з первую группу преобразователей 1 частоты в напряжение, первый сумматор 2, схему 3 сравнения, преобразователь 4 напряжения в частоту, формирователь

5 выходных импулbcoe, вторую группу 4о преобразователей б частоты в напряжение, второй 7 сумматор, интеграторы 8 и 9, ключи 10-12, преобразователи 13 и 14 частоты в напряжение.

Последовательно ключам 11 и 12 4s введены сопротивления, равные по величине входному сопротивлению соответствующего интегратора.

Устройство работает следующим образом. 50

На входы преобразователей 1 частоты в напряжение сигнальных входов и входы второй группы преобразователей 6 частоты в напряжение поступают сигналы, с частотами следования импульсовв

1 т Ят ° ° ° т . ° т ° ° т

4 4

После преобразования в напряжение происходит суммация в соответствую= щих сумматорах 2 и 7.

И 1 = Ч

u„-z u; о = о;

;--1

На выходах интеграторов 8 и 9 напряжение соответственно равно

0 g -а (0„- t; U4, -а f U dt, где а„, а - соответствующие характеристики интегратора 8 и интегратора 9.

Напряжение с выхода интегратора 8 поступает на вход схемы сравнения, вес которого равен в, вес другого входа схемы сравнения, на который подается напряжение с выхода интегратора 9, равен с.

Если ЬО сJ<, то на выходе схемы сравнения 3 появляется напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 10, нормальное положение которого закрытое. При открытии ключа 10 напряжение с выхода интегратора 8 поступает на вход преобразователя 4 в частоту и затем импульсы, частота следования которых пропорциональна напряжению, поступают на вход формирователя 5 выходных импульсов.

В работе устройства используется память. реального интегратора, который выполнен на операционном усилителе.

Если на входы преобразователей 6 сигналы поступают раньше, чем на входы преобразователей 1, то на выходе интегратора 9 образуется напряжение, которое, поступая на вход схемы сравнения 3, создает модель гиперполяризации нейрона. Для возбуждения модели теперь необходимо, чтобы интенсивность подачи сигналов на входы преобразователей 1 была выше, или же, чтобы на входы преобразователей 6 сигналы прекратили свое поступление.

Во втором случае напряжение на первом входе схемы-3 сравнения снижает-. ся по мере разрядки конденсатора интегратора 9, т.е. время гиперполяризации пропорционально памяти интегратора. Ключ 10 находится в закрытом состоянии до тех пор, пока напряжение на втором входе схкмы 3 сравнения не достигает пороговой, в данном случае снижающейся, величины. При работе устройства порог может меняться и в режиме открытого положения ключа !0

В этом случае повышение порога за счет сигналов на входах преобразовау44 4 работы в любой иэ вышеописанных режимов, способность накапливать подлороговые возбуждающие воздействия, а также тормозящие, позволяет испольэовать устройство в моделях нейрон-„ ных сетей с перестраиваемыми режимами работы, В работе устройства тормозящие воздействия не влияют непосредственно на частоту следования импульсов íà его выходе, но определяют величину порега, при этом nopor устройства не устанавливается постоянным, а меняется пропорционально величинам тормозных сигналов и времени их воздействия.

При прекращении поступления тормозных сигналов порог начинает снижаться, но не падает мгновенно, как это имело. бы место, если бы в устройстве отсутствовал второй интегратор. Все это обусловливает инерционность в работе устройства. Именно такой инерционностью обладают реальные нейроны и нейронные сети. Вполне вероятно, что инерционность в работе нейронов и нейронных сетей не является недостатком их, а необходимым .условием для плас-. тической перестройки их работы. Такая инерционность в работе устройства обеспечивает образование "размытых" интервалов включения и выключения, что в простых системах, возможно и является недостатком, однако в сложных и очень сложных системах такая "размытостьн временных интервалов включения и выключения может способствовать большей пластичности перестройки и большей точности образования необходимых структур сети. Это объясняется тем, что работа большой сети, состоящей из множества элементов, всегда сопровождается возникновением закономерной в этом случае флуктуацией.

Если при этом элементы сети построены жестко и не имеют известной инерционности, то общая флюктуация неизбежно приводит к сбою работы, особенно в режимах перестройки. В условиях же "размытого" режима работы каждого элемента после известных обусловленных перестройкой колебаний в сети легко устанавливается новое динамическое равновесие, соответствующее новому заданному режиму работы.

Изучение таких систем, построенных на "размытых" временных режимах, и выявление их возможностей может дать основание к новому подходу в понймании значения гиперполяризации мемтелей 6 приводит к тому, что ключ 10 переходит в закрытое положение и на выходе формирователя 5 исчезают сигналы в момент, когда пороговое напряжение достигает величины рабочего напряжения. В этом случае частота им-, пульсов в конце последовательности на выходе формирователя 5 несет информацию о величине изменившегося порога. Минимальная частота следования 1® импульсов на выходе формирователя 6 в выходной поспедовательности несет информацию о начальной величине порога.

При подаче напряжения на управляющий вход ключа 11 с выхода преобразователя !3 частоты в напряжение создается модель глубокой гиперполяриэации нейрона.

В этом случае сигналы на выходе 2О устройства hoRBJlAoTcR лишь только в том случае, если bU >cU@, т.е. на сигнальных входах устройства интенси вност ь подачи си гнало в дости гает величины, соответствующей созданному на первом входе схемы сравнения пороговому напряжению.

В этом случае пороговое напряжение создается в результате пространственно-временной суммации сигналов на 30входах преобразователей 6 частоты в напряжение, а напряжение на втором входе схемы 3 сравнения - только пространственной суммацией сигналов на. входах преобразователей 1 частоты в напряжение. При подаче сигналов на вход преобразователя 14 частоты в напряжение пороговое напряжение зависит на этот раз только от пространственной суммации сигналов с входов преобразователей 6 частоты в напряжение, а напряжение на втором входе cxew сравнения - от пространственновременной суммации сигналов с сигнальных входов.

При одновременной подаче сигналов на входы-преобразователей 13 и 14 частоты в напряжение происходит пространственная суммация информативных сигналов, подаваемых на входы преобразователей 1 частоты в напряжение, порог при этом определяется пространственной суммацией сигналов, подаваемых на входы преобразователей 6 частоты в напряжение.

Наличие в устройстве кратковременной памяти (память реального интегратора), тормозящих и возбуждающих воздействий, легкость перестройки его

894744

Формула изобретения

Составитель А. Яицков

Редактор Л. Пчелинская Техред Е. Харитончик Корректор Г. НазароваЗаказ ) 1492/80 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 бран нейронов, а также возможно несколько по-иному подойти к понятию

"точность" в отношении работы больших систем.

Устройство дпя моделирования нейрона, содержащее первую группу преоб- i0 разователей частоты в напряжение, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора, схему сравнения и преобразователь напряжения в частоту, выход которого через формирователь выходных импульсов соединен с выходом устройства, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования за счет учета свойств гиперполяризации и переменности порога возбуждения нейрона, в Мего введены ключи, два преобразователя частоты в напряжение, второй сумматор, два интегратора и вторая группа преобразователей частоты в напряжение, выходы которых подключены к соответствующим входам второr0 сумматора, выход которого соединен со входом первого ключа и входом первого интегратора, выход которого подключен к выходу первого ключа и первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с управляющим входом второго ключа, выход первого сумматора подключен ко входу второго интегратора и входу третьего ключа, вы", ход которого соединен с выходом второго интегратора» вторым входом схемы сравнения и входом второго ключа, выход которого подключен ко входу преобразователя напряжения в частоту, управляющие входы первого и третьего ключей соединены соответственно с выходами первого и второго преобразователей частоты в напряжение, входы всех преобразователей частоты в напряжение являются входами устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР и 45204, кл G 06 0 7/60, 1973.

2. Авторское-свидетельство СССР

11 647698, кл. G 06 G 7/60, 1979 (прототип).