Устройство для моделирования ритмов гормональной регуляции

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

О0 ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >934508 (6E ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 30. Об. 80 (2! )2/52140/18-24 с присоединением заявки.% (23) Приоритет

Опубликовано 07. 06. 82 ° Бюллетень ЛЬ 21

Дата опубликования описания 07. 06. 82 (51}М. Кл.

G 06 G 7/60

Гввударстввииый квмитет

СССР по делам извбретеиий и открытий (53} УЙК681. 333 (088. 8) (72) Автор изобретения

В.Л. Кузьменко

58

Львовский государственный медицинский институт (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РИТМОВ

ГОРМОНАЛЬНОЙ РЕГУЛЯЦИИ

Изобретение относится к электрическому моделированию биологических систем и предназначено для моделирования ритмов гормональной регуляции в биофизических и физиологических экспериментах.

Известно устройство для моделирования нейронной сети, содержащее модели нейронов s виде однородного слоя (11. l0

Недостатком устройства является от сутствие возможности моделирования ритмообразовательного процесса нейронной сети.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделированияя фермент а т и вной а кт и вност и, содержащее модели нейронов, элементы задержки, ключи, коммутатор, генераторы.

На устройстве моделируются ритмы . фермент ативной активности, образующиеся при работе устройства за счет структуры соединений нейронных элементов в сети и внешних сигналов, подаваемых с генераторов (2).

Однако для более точного моделирования ритмов гомеостатических систем, к которым относится система гормональной регуляции, необходимо учитывать влияние на такие системы внешних ритмов (со стороны других систем организма), оказывающих существенное влияние на образование рабочих ритмов гомеостатической системы. Такие ритмы играют большую роль в пластической регуляции и перестройке работы биологической системы, в данном случае, системы эндокринной регуляции.

Цель изобретения - повышение точности моделирования эа счет учета воздействия внешних ритмов на рабочие ритмы системы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для моделирования ритмов гормональной регуляции, содержащее источники напряжения, ней34508 4 рой преобразователь напряжения в

3 9 ронные элементы, элементы задержки, генераторы импульсов, сумматоры, преобразователи напряжения в частоту и формирователи выходных импульсов, введены блоки ритмообразования и две группы блокоB моделирования гормональной регуляции, причем входы первого, второго, третьего и четвертого блоков ритмообразования соединены с выходами соответствующих источников напряжения, первый выход первого блока ритмообразования подключен к первым входам всех блоков моделирования гормональной регуля(ции первой группы, второй выход первого блока ритмообразования соединен с вторыми входами всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы, первый выход второго блока ритмообразования подключен к третьим входам всех блоков моделирования гормональной регуляции. первой группы, второй выход второго блока ритмообразования соединен с четвертыми входами всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы, первый выход третьего блока ритмообразования подключен к первым входам всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы, второй выход третьего блока ритмообразования соединен с вторыми входами всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы, первый выход четвертого блока ритмообразования подключен к третьим входам всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы, второй выход четвертого блока ритмообразования соединен с четвертыми входами всех блоков моделирования гормональной регуляции, выход i ro блока моделирования гормональной регуляции первой группы подключен к -му входу первого сумматора, выход которого через первый преобразователь напряжения в частоту, первый формирователь выходных импульсов и первый элемент задержки соединен с первым входом первого нейронного элемента, выход которого через. второй и третий элементы задержки подключен к пятым входам всех блоков моделирования гормональной регуляцИи первой группы, выход i-го блока моделирования гормональной регуляции второй группы соединен с i-тым входом второго сумматора, выход которого через вто5

40 частоту, второй формирователь выходных импульсов и четвертый элемент задержки подключен к второму входу первого нейронного элемента, выход второго элемента задержки соединен с первым входом второго нейронного элемента, выход которого подключен к шестым входам всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы, шестые и седьмые входы всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы соединены с выходами соответствующих генераторов импульсов, пятые и седьмые входы всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы подключены к выходам соответствующих генераторов импульсов, все входы, кроме первого и второго, первого нейронного элемента соединены с выходами соответствующих генераторов импульсов, все входы, кроме первого, второго нейрон ого элемента подключены к выходам соответствующих генераторов импульсов.

Блок ритмообразования содержит сумматоры, интеграторы и блоки сравнения, причем входы первого и второго сумматора являются входами блока, выход первого сумматора подключен к входу первого интегратора, выход которого является первым выходом блока и соединен с первыми входами первого и второго блоков сравнения, выход второго сумматора подключен к входу второго интегратора, восход которого является вторым выходом блока и соединен с BTopbtM входом второго блока сравнения, выход которого подключен к управляющему входу первого интегратора, выход первого блока сравнения соединен с управляющим входом второго интегратора.

Блок моделирования гормональной регуляции содержит преобразователи частоты в напряжение, сумматоры, блок сравнения и ключ, причем первый вход первого сумматора является первым входом блока и соединен с выходами первого и второго преобразователя частоты в напряжение, второй вход первого сумматора является вторым входом блока и подключен к выходу третьего преобразователя частоты в напряжение, выход первого сумматора соединен с первым входом блока сравнения и информационным 8х05 93450 дом ключа, выход которого является выходом блока, управляющий вход ключа подключен к выходу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, первый 5 и второй входы которого являются соответственно третьим и четвертым входами блока, вход третьего преобразователя частоты в напряжение является пятым входом блока, входы пер1О вого и второго преобразователей частоты в напряжение являются соответственно шестым и седьмым входами блока.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства; на фиг. 2 - схема нейронного элемента ритмообразования; на фиг. 3 - схема нейронного элемента гормональной регуляции; на фиг. 4 - схема нейронного эле- >0 мента; на фиг. 5 — схема интегратора.

Устройство содержит источники 1 напряжения, генераторы 2 импульсов, нейронные элементы 3 и 4 ритмообразования, нейронные элементы 5 и 6 гормональной регуляции, нейронные элементы 7 и 8, элементы 9 задержки.

Нейронный элемент ритмообразования содержит блок 10 быстрого ритмообразования и блок 11.медленного ритмообразования, каждый из которых содержит сумматоры 12 и 13, интеграторы 14 и 15, блоки 16 и 17 сравненйя, выходы 18 - 21 интеграторов являются выходами нейронного элемент.а.

Нейронный элемент гормональной регуляции содержит группу блоков 22 моделирования гормональной регуля- що ции, сумматор 23, преобразователь 24 напряжения в частоту, формирователь

25 выходных импульсов. Каждый блок моделирования гормональной регуляции содержит преобразователи 26

45 частоты в напряжение, сумматоры 27 и

28, блок 29 сравнения и ключ 30.

a0 = bU 1 где а — вес первого входа блока сравнения;

Ь - вес второго входа блока сравнения 17 будет соответствовать равенству напряжений 0 1 и 0>, или U 7 0„ при а .у Ь или U < < 0,1 при а < Ь.

В момент, когда напряжение на втором входе блока сравнения превысит напряжение на его первом входе, учитывая веса входов, на выходе схемы сравнения появляется напряжение, которое поступает на второй вход интегратора 14. Ключ 39 интегратора 14, в отличие от аналогичного ключа интегратора 15, имеет нормальное положение закрытое. Напряжение с выхода блока сравнения открывает ключ интегратора 14, что приводит к срыву его работы. Напряжение на первом входе блока 16 сравнения вследствие этого резко падает и ключ 39 интегратора 15 переходит в открытое положение. Таким образом в блоке ритмообразования восстанавливается первоначальная ситуация и начинается новый QM K °

В дальнейшем устройство работает следующим образом. Напряжение с выхода блока медленного ритмообразования поступает на входы сумматора 28.

Ритмически меняющееся напряжение, поступающее затем на второй вход блока 29 сравнения, определяя порог чувствительности блока 22 моделирования гормональной регуляции. Таким образом этот блок имеет переменный порог, который о фоновом режиме, т.е. если на входы блока 9 поступает постоянное напряжение, то меняется в простой ритмической зависимости. Эта ритмическая зависиНейронный элемент содержит преобразователи 31 и 32 частоты в напряжение, сумматор 33, преобразователь

34 напряжения в частоту, формирова-. тель 35 выходных импульсов.

Интеграторы 14 и 15 содержат резистор 36, операционный усилитель 37, конденсатор 38 и ключ 39.

Рити изменения суммарного напряжения блока ритмообразования образуется вследствие отставания вклю8

6 чения интеко-ратора 15 по сравнению с включением интегратора 14. Интегратор 15 включается в работу в момент, когда напряжение на выходе интегратора 14 достигает напряжения на втором входе блока 16 сравнения, которое определяется напряиенйем co" ответствующего источника. Йнтегратор 15 имеет большую крутизну роста напряжения на своем, выходе, в результате чего через время t напряжение 0 сравняется с напряжением 0 выхода интегратора 14. В зависимости от соотношения весов входов блока

l7 сравнения равновесие

9345 мость легко перестраивается в ритм любого заданного типа при подаче напряжений на другие входы блока 5.

Такая периодическая переменность порога характерна для клеток большинст- 5 ва тканей организма. Веса входов сумматора 28 и веса блока 29 сравнения устанавливаются пропорционально весам входов сумматора 23.

Этим достигается то, что блоки 22 с большим порогом возбуждения в случае возникновения возбуждения в них вносят наибольший вклад в частоту выходной импульсной последовательности на.выходе блока, и напротив, легковозбудимые каналы 22 вносят относительно меньший вклад в часто-. ту выходной импульсной последовательности. Таким образом легковозбудимые каналы с малыми порогами вклю- 20 чаются в работу чаще при незначительных изменениях в работе устройства и соответствуют "плавной регулировке". Каналы же 22 с высокими порогами включаются только при значитель- >5 ных отклонениях в работе устройства и соответствуют "грубой регулировке".

На входы сумматора 27 поступает напряжение с выходов блока быстрого ритмообразования. Это напряжение зо суммируется с напряжением выходов преобразователей частоты в напряже-" ние ?6 в сумматоре 27 и таким образом создается ритмическая активность на выходе блока 22. Несмотря на то, что на входы сумматоров 28 всех блоков 22 и на входы сумматора 27 этих блоков подаются синхронизированные ритмы, в результате различия весов входов. сумматоров 28 и блоков сравнения 29, и различия весов сумматора 23, на выходе последнего образуется сложный ритм, приближаю щийся к ритму биологической системы.

Этот ритм напряжения на выходе сумматора 23 затем преобразуется в .частоту в преобразователе 24 и на выходе формирователя 25 выходных импульсов формируется последовательность с частотой импульсов, пропорциональной ритму напряжения.

Блок 5 моделирует активность клеток гипоталамуса, С выхода блока 5 импульсная последовательность через элемент 9 задержки поступает на вход нейронного элемента 7 моделирования активности клеток гипофиза и с его выхода через второй элемент

08 8

9 задержки на вход нейронного элемента 8, моделирующего гормональную активность клеток эндокринной железы, напрймер, щитовидной железы или коры надпочечников.

Кроме того, импульсная последовательность с выхода блока 7 через последовательно соединенные второй и третий элементы задержки поступает на тормозные входы блока 5. Такое временное разделение возбуждающего (с блока 7 на блок-8 ) и тормозящего I c блока 7 на блок 5) воздействий соответствует временному отставанию тормозящих воздействий в гомеостатических сетях организма, и особенно, в системах гормональной регуляции. Такое отставание тормозящих воздействий по сравнению с возбуждающими является одной из главных причин осцилляций в сетях с обратными связями.

В нейронных элементах 7 и блоке 8 предусмотрены дополнительные входы, не задействованные в сети. Эти входы можно использовать для моделирования некоторых дополнительных воздействий на процессы гормональной регуляции, например, элементарная недостаточность йода при моделировании некоторых патологических процессов в деятельности щитовидной железы.

Импульсная последовательность, поступающая с выхода нейронного элемента 7 на вход нейронного элемента

8, вес которого задается исходя из условий эксперимента, привоцит к возбуждению этого блока, последовательность на выходе моделирует продукцию гормона. В естественных условиях расход гормояа в организме меняется в том или ином ритме, в зависимости от состояния организма и условий, протекающих в нем процессов, что моделирустся блоком 6.

Структура устройства обусловливает установление в его работе сложного гомеокинетического ритма, приб лижающегося к естественному ритму гормональной активности в организме.

Устройство может представлять интерес при изучении реальных гомеостазов, т.е.. гомеостазов, состоящих из систем с ритмическими характеристиками и с учетом потребления продукции систем.

508 12 ветственно третьим и четвертым входами блока, вход третьего преобразователя частоты в напряжение является пятью входом блока, входы первого и второго преобразователей частоты s напряжение являются соответственно шестым и седьмым входами блока.

Источники информацкм, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 1 528579 кл. G 06 G 7/60,. 1974.

2.Авторское свидетельство СССР йо заявке Ю 2759679/18-24, кл. G 06 G 7/60, 1979 {прототип}.

11 934 дом блока и соединен с выходами первого и второго преобразователя частоты в напряжение, второй вход первого сумматора является вторым sxo» дом блока и подключен к выходу третьего преобразователя частоты в напряжение, выход первого сумматора соединен с первым входом блока сравнения и информационным входом ключа, выход которого является выходом 10 блока, управляющий вход ключа подключен к выходу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, первый и . второй входы которого являются соот- 1$

934508

Формула изобретения

1. Устройство для моделирования ритмов гормойальной регуляции, содержащее источники напряжения, нейрон- 5 ные элементы, элементы задержки, генераторы импульсов, сумматоры, преобразователи напряжения в частоту и формирователи выходных импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены блоки ритмообразования и две группы блоков моделирования гормональной регуляции, причем входы первого, второго, третьего и четвертого блоков ритмообразования соединены с выходами соответствующих источников напряжения, первый выход первого блока ритмообразования подключен к первым вхо- 20 дам всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы, второй выход первого блока ритмообразования соединен с вторыми входами всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы, первый выход второго блока ритмообразования подключен к третьим входам всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы, второй Эо выход второго блока ритмообразования соединен с четвертыми входами всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы, первый выход третьего блока ритмообразования подключен к первым входам scex блоков моделирования гормональной регуляции второй группы, второй выход третьего блока ритмообразования соединен с вторыми входами ао всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы, первый выход четвертого блока ритмообразования подключен к третьим входам всех блоков моделирования гормональ- 4 ной регуляции второй группы, второй выход четвертого блока ритмообразования соединен с четверыми входами

Ъ всех блоков моделирования гормональной регуляции, выход i-ro блока моделирования гормональной регуляции первой группы подключен к i-му входу первого сумматора, выход которого через первый преобразователь напряжения в частоту, первый формирователь выходных импульсов и первый элемент задержки соединен с первым входом первого нейронного элемента, выход которого через второй и третий элементы задержки подключен к пятым входам всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы, выход i-го блока моделирования гормональной регуляции второй группы соединен с i-тым входом второго сумматора, выход которого .через второй преобразователь напряжения в частоту, второй формирователь выходных импульсов и четвертый элемент задержки подключен к второму входу первого нейронного элемента, выход второго элемента задержки соединен с первым входом второго нейронного элемента, выход которого подключен к шестым входам всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы, шестые и седьмые входы всех блоков моделирования гормональной регуляции первой группы соединены с выходами ,соответствующих генераторов импульсов, пятые и седьмые входы всех блоков моделирования гормональной регуляции второй группы подключены к выходам соответствующих генераторов импульсов, все входы, кроме первого и второго, первого нейронного элемента соединены с выходами соответствующих генераторов импульсов, все входы, кроме первого и второго нейронного элемента, подключены к выходам соответствующих генераторов импульсов.

2. Устройства по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок ритмообразования содержит сумматоры, интеграторы и блоки сравнения, причем входы первого и второго сумматора являются входами блока, выход первого сумматора подключен к входу первого интегратора, выход которого является первым выходом блока и соединен с первыми входами первого и второго блоков сравнения, выход второго сумматора подключен к входу второго интегратора, выход которого является вторым выходом блока и соединен с вторым входом второго блока сравнения, выход которого подключен к управляющему входу первого интегратора, выход первого блока сравнения соединен с управляющим входом второго интегратора.

3. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, чта блок моделирования гормональной регуляции содержит преобразователи частоты в напряжение, сумматоры, блок сравнения и ключ, причем первый вход первого сумматора является первым вхо934508

Составитель Л. Терехов

Редактор Е. Лушникова Техред А. Бабинец Корректор Е. Рош ко

Заказ 3942/47 Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )1-35, Раушская наб., д. 415

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4