Устройство для моделирования условно-рефлекторных связей

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоцнаянстнчвсннхРеспублик и 957236(51)М, Кл,С 06 С 7/60 3 ЬаударстааккыИ камктат ВСТР кв дваам кзааратакк% и етарытнйДата опубликования описания 09. 09 .82(72) Автор изобретения В. Л. Кузьменко Г) Заявит Львовски дарственныи медицинс) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСЛОВНОРЕФЛЕКТОРНЫХ СВЯЗЕЙ ие 1Изобретение отйосится к электрическому моделированию центральной нервной системы и предназначено для ис"пользования в системах искусственного.интеллекта для образования временныхусловнорефлекторных связей между аналогами нейтронных сетей в целях самообучения и самоорганизации этих сис"тем, в связи с чем может найти приме"нение. в роботах, а также в Физиологи-,ческих экспериментах для моделированияусловнорефлекторных комплексов.Известно устройство для моделирования нервной системы, содержащее линейные и нелинейные преобразователи,пороговые элементы, элементы И, сум"маторы, накопители, линии задержки,позволяющие перестраивать моделируе"мые Физиологические реакции посредством переадресации входного сигналаЩгоОднако устройство не моделируетусловнорефлекторные связи,Наиболее близким техническим решен м к изобретению является устройство для моделирования условных рефлексов, содержащее М групп источников. налов и й ассоциативных блоков обработки сигналов.Каждый ассоциативный блок содержитрегистры и накопители. Работа извест"ного устройства заключается в образовании пространственной комбинации им"пульсов, поступающих на рецепторы, ипространственной комбинации импульсов,поступающих на эффекторы 2,Однако данное устройство недо"статочно точно моделирует некоторыесвойства условнорефлекторных связей,играющих существенную роль в процессах обучения и переобучения, связан"ных с условнорефлекторной деятельностью, например угасание условных реф"лексов, выработку условных рефлексовв условиях неопределенности сочетанияусловных и безусловных сигналов и т,п.. 1/5иве иви аиии роектная, Ч и и е в ае 3 в 3 5 еее Фйлиал ПП Реввктор С. Таране аказ 601/399 ВНИИПИ по 11 аСоставитель А.ко ТехоедИ,Рейвесвавввв ви в вТираж 733Государственного комитета Селам изобретений и открытийосква Ж"35 Раивская наб.и ае а еа ее Ъ в е Вве в ав аа в в ее, сложно, и при применении его в реше" нии конкретных задач образования свя" эей между сетями возникают трудности, так как пространственная ассоциация комбинации импульсов при помощи ре" гистров, учитывая многократные преобразования сигналов, несущих информа. цию в нейронных сетях, и их вариабельность была бы затруднительной и требовала бы еще большего усложнения. 16Цель изобретения " повышение точности моделированияУказанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее Й групп источников напряжения, Й источников 15словных сигналов, в источников безусловных сигналов и М ассоциативных блоков обработки сигналов, введены в преобразователей частоты в напряжение, блок из Н групп по в ключей и модель 20 ритмообразующего нейрона, выход которой подключен к первым входам ас" социативных блоков обработки сигналов, выходы каждого 1-го (1= 1,2И) ассоциативного блока обработки сигна- д лов соединены соответственно с управляющими входами ключей 1-ой группы, инФормационные входы которых подключены к выходу 1-го источника условных сигналов и к второму входу 1-го ассоциативного блока обработки сигналов, выход каждого источника безусловных сигналов через соответствующий преобразователь частоты в напряжение соединен с одним из входов первой группы каждого ассоциативного блока обработ- Зф ки сигналов, выходы 1-ой группы источников напряжения подключены к второй группе входов 1-го ассоциативного блока обработки сигналов, выходы блока ключей являются выходами устройства. Причем каждый ассоциативный блок обработки сигналов содержит узел интегрирования условных сигналов и в4 узлов интегрирования безусловных сигналов, первые выходы которых подключены соответственно к группе входов суммирования узла интегрирования ус" ловных сигналов, инФормационный вход которого является вторым входом блока, 1-ый (1 1,2в) вход первой группы которого соединен с первым вхо. дом,1-го узла интегрирования безусловных сигналов, второй выход которого является одним из выходов блока, пер"вый и второй выходы узла интегрирования условных сигналов подключены соответственно к второму и третьему входам всех узлов интегрирования безусловных сигналов, третий выход каждогоузла интегрирования безусловных сигналов соединен с соответствующими входа"ми суммирования соответствующих узловинтегрирования безусловных сигналов,четвертые входы которых подключены кпервому входу блока, вторая группавходов которого соединена соответст"венно с пятыми входами узла интегрирования безусловных сигналов, порогозадающий вход узла интегрирования услов,ных сигналов подключен к одному извходов второй группы блока,Узел интегрирования условных сигналов содержит преобразователь частоты в напряжение, интегратор, схемусравнения, элемент задержки и сумматор, входы которого подключены к группе входов суммирования узла И к порогозадающему входу узла, инбврмацион"ный вход которого через преобразователь частоты в напряжение соединенс первым выходом узла и с входом ин"тегратора, выход которого подключенк первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с вторым выходом узла, выход сумматора через элемент задержки подключен к второмувходу схемы сравнения,Узел интегрирования безусловныхсигналов содержит два сумматора,схему сравнения, элемент запоминаниянапряжения, первый и второй ключи, управляющие входы которых соединенысоответственно с вторым и четвертымвходами узла, первый вход которогоподключен к входу первого ключа, выход которого соединен с первым выходом узла и с первым входом первогосумматора, выход которого подключенк входу второго ключа выход которого соединен с входом элемента запоми"нания напряжения, выход которого под"ключен к третьему выходу узла, к вто"рому входу первого сумматора и к пер"вому входу схемы сравнения, выход которой соединен с вторым выходом уз"ла, пятый и суммирующие входы которого подключены к входам второго сум"матора, выход которого соединен с вторым входом схемы сравнения, управляю"щий вход элемента запоминания напряжения подключен к третьему входу узла.На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 " схема ассоциативного блока обработки сигналов;на Фиг, 3 - схема узлов интегрирова5 572ния условных и безусловных сигналов;на Фиг, 4 - график Функции ОГ(1)на входе, схемы сравнения,Устройство содержит источникимоделирующие безусловные сигналы, 3источники 2, моделирующие условныесигналы, источники 3 напряжения, пре"образователи 4 частоты в напряжение,ассоциативные блоки 5 обработки сигналов, модель ритмообразующего ней" 10рона 6, блок 7 ключей, эффекторныевыходы 8 и ассоциативные выходы 9,В качестве источников условных ибезусловных сигналов могут быть ис"пользованы соответствующие модели Иаффекторных и зффекторных нейронныхсетей, а также сети распознаванияобразов.Блок 5 (Фиг. 2) содержит узел 10интегрирования условных сигналов и 2 втузлов 11 интегрирования безуслов"ных сигналов.На Фиг, 3 представлены схемы узлов 10 и 11, их взаимные соединенияи соединения их с блоком 7. Соедине 2ния узла 10 с остальными узлами 11блока 5 идентичны.Узел 10 содержит преобразователь 12 частоты в напряжение, интегратор 13, схему 14 сравнения, эле" зфмент 15 задержки и сумматор 16.Узел 11 содержит первый ключ 17,.первый сумматор 18, второй ключ 19,элемент 20 запоенания входного напряжения, схему 21 сравнения и второй сумматор 22.В нормальном положении все ключиустройства закрыты.Устройство работает следующим образом, 46Устройство моделирует большинствоопераций, связанных с выработкой иугасанием условных временных связей,вариабельность которых зависит отвременно-пространственного сочетания 4сигналов Х(Х 1,ХХП) и безуслов"ных сигналов У(У,УУ,) как вусловиях достаточной определенностиэтих сочетаний, так и в условиях неопределенности, а также влияния, .свя"0ванные с моделируемым типом нервнойсистемы и моделируемым эмоциональнымсостоянием.Выработка нормального условногорефлекса. Х тождествен .", если за Хдостоверно следует У, при этом воздейффствие Х опережает воздействие У, ивоздействие У продолжается более дли"тельное время, чем Х. При этом до" 36 бстоверность следствия Х-У определя ется числом предшествующих этих следствий и уменьшается при Х-У. Работа" ет устройство в этом случае следующим образом, С выхода некоторого источника 2 сигнал Х поступает на второй вход соответствующего блока 5, Вслед за этим с выхода источника 1 через соответствующий преобразователь 4 сигнала У поступает на соответствующий вход блоков 5, Однако У будет обрабатываться лишь в, том блоке 5, на вход которого за некоторое обуслов" ленное время поступит сигнал Х, Сигнал Х поступает на вход поеобразова 1 теля 12 частоты в напряжение (Фиг.3) , напряжение с выхода которого открывает ключ 17 узла 11 данного блока 5, В том из узлов 11, на вход ключа 17 которого поступает напряжение, пропорциональное частоте импульсов сигнала У, напряжение через открытый ключ 17 поступает на первый вход сумматора 18 и одновременно подается на соответствующий вход сумматора 16 узла 10. В узле 1 О напряжение с выхода преобразователя 12 поступает на вход интегратора 13, В интегратора происходит интегрирование напряжения Од выхода преобразователя 12 по време" ни, в течение которого напряжение по Ступает на вход интегратора 13. С момента с прекращения подачи напряжения 0 (Фиг. 4) напряжение 0,1 выхода интегратора начинает падать за счет разрядки интегрирующего конденсатора.При достижении О,1Ог (где Оя напряжение на втором входе. схемы 14. сравнения, обусловленное напряжениемна первом входе сумматора 16) на выхо. де схемы 14 сравнения появляется напряжение, которое поступает на управ" ляющий вход элемента 20, В узле 11 напряжение с выхода сумматора 18 поступает на информационный вход ключа 19, который работает в ритме поступления на его управляющий вход потенциалов с выхода модели ритмообразующего нейрона 6. Напряжение на управляющем входе элемента 20 с выхода сумматора 18 запоминается в момент закры"тия ключа 19 или управляющего входа элемента 20,Управляющий вход элемента 20 закрывается в момент скачкообразного по" вышения напряжения на втором входе схе" мы 14 сравнения, прекращая поступление(шум). В данном случае разрешение не"определенности в работе устройствапроисходит без вмешательства экспери"ментатора автоматически. Каждое со"четание условного сигнала с безусловным происходит в силу описанных вышемеханизмов выработки и угасания условных рефлексов, приводит к увеличениюдифференцировочного напряжения на вхо"дах всех других сумматоров 22 блока 5,кроме входов сумматора блока 11, навход которого поступил безусловныйсигнал в данном сочетании с условным.Если до этого бцлй другие сочетанияусловного сигнала с безусловным и навходе данного сумматора 22 было создано опорное дифференцировочное напряже"ние, то после поступления на его входбезусловного сигнзла это дифференцировочное напряжение снижается за счетснижения напряжения на выходах эле"ментов 20 других узлов 11 данного. бло"ка 5 по причине отсутствия напряже"ния на первых входах сумматоров 18этих блоков и активизации элемента 20.Если при этом из возможных сочетанийХ"Ул, Х"УХ"Уп выделяется неко-.торое, например Х-У, своей частотойпоявления по сравнению с другими соче"таниями, то условный рефлекс вырабатн"вается в конечном итоге на это соче"тание и оно выделяется как наиболеедостоверное, при этом скорость выра"ботки условного рефлекса, естественно,задерживается по сравнению с условиямиработы, когда за Х всегда следует У .Такое замедление выработки модели условного рефлекса соответствует замед"ление его выработки в условиях неопределенности в реальной естественнойсистеме, Как любая система обработ"ки информации, устройство для приня"тия решения в условиях неопределенности (шума) требует избыточности,что достигается путем увеличения количества запросов (вводимых сочетаний). Как и в предыдущих случаях, ритмы модели нейрона 6 .определяют скорость принятия решения, т.е. вцбора наиболее достоверного сочетания условного и безусловного сигналов. Здесь, однако, можно моделировать некоторые вариа" бельности принятия решения естественной системой, в том числе и человеком. Известны склонностИ принятия слиш" ком поспешных решений, так же, как и склонности к нерешительности, На уст" 9 9572)элемента 20 за интервал времени с сбудет определяться какл:п-л0 : 3: а 0,1:Огде р - число, показывающее сколькораз ключ 19 перешел в открытое состояние за время 61,.. Таким образом при и сочетаниях Х-Унапряжение на выходе элемента 20 за-. 1 Опоминания будет равнбо=п-ли:;гдд,л 1=0При угасании связи Х"У будет иметместо соотношениеИВ,о. = а 05.Подвижность процессов возбуждения. и торможения при повышении ритма пей.,смекерного нейрона 6 способствует ускорению обучения и переобучения устрой"ства, что а естественном аналоге характеризует сильный подвижный типнервной системы,Напротив, уменьшение ритма моделиритмообразующего нейрона 6 будет задерживать эти процессы, что характери"зует слабый тип нервной деятельности,Иоделирование двух крайних вариантовсильного типа (возбудимого и тормозного) осуществляется весом второговхода сумматора 18. При весе его, при"ближающемся к единице, будут преобла"дать возбудимые процессы, т.е, выра"ботка условных рефлексов будет происходить быстро, а их угасание " замед- Зфленно, при задании веса значительноменьше единицы (например,0,5) выра"ботка условных рефлексов будет задер"живаться, но угасание их - ускорятьсяИоделирование влияния положительных эмоций, повышающих подвижностьусловнорефлекторных процессов, и мо-.делирование отрицательных, замедляю"щих условнорефлекторные процессы, также осуществляется изменением ритмамодели ритмообразующего нейрона 6,Иоделирование условнорефлекторныхпроцессов в условиях неаоределеннос"ти сочетания условных и безусловныхсигналов. Реальная ситуация, когда ффусловий сигнал не всегда сопровождается одним и тем же безусловным сигЙалои а безусловному сигналу не всег"да предшествует один и тот же условный, создает известную неопределен"ность в принятии решения, котороетребует выделения закономерных соче"таний (информативных) от случайных9572ройстве эти вариабельности моделируют"ся ритмом модели нейрона 6, При повышении частоты ритма происходит быст"рая дифференцировка условных рефлек- .сов, т.е. быстрое угасание предыдущих 3и выработка новых. Для принятия решения в этой ситуации необходимо минимальное количество новых сочетаний.Однако здесь возможны ошибки, свойственные поспешному принятию решений. 1 ОНапример, после быстрого угасания реф.лекса на сочленение Х-У 2 и выработ"ки рефлекса на сочленение Х-У сновас большей частотой появляется Х-У 2,В этом случае принятие решения Х-У 2 фявляется поспешным и ошибочным. Напротив, при замедлении ритмов моде"ли нейрона 6 происходит более длительная дифференцировка и выборка истинных сочетаний. В этом случае система 20ошибаться будет меньше, но и принятиерешения будет замедлено. Слишком частые и слишком медленные ритмы, моделинейрона 6 обеспечивают моделированиенекоторого парадоксального явленияв выработке решений, заключающегосяв том, что при слигшком быстрых ритмах, как и при слишком медленных,вероятности ошибки и запаздывание впринятии решений увеличиваются подобно тому, как слишком нерешительныйчеловек в конце концов принимает оши"бочное решение,Подбором ритма модели ритмообразу"ющего нейрона 6 вырабатывается оптимальная стратегия принятия решений,Моделирование нестабильности условнорефлекторных процессов может осуществляться на устройстве посредством увеличения продолжительности пейсмекерных потенциалов модели нейрона 6 с одновременным увеличением интервалов между ними и задания апериодического ритма модели нейрона 6,В данном случае моделирование преследует цель проверки гипотезы о том цто хорошо известная нестабильность нервных процессов, в том числе и ус" ловнорефлекторных зависит от переУЗО строек ритмоводящих механизмов нерв" ной системы и их циклов.Данное устройство достатоцно точно моделирует процессы выработки условнорефлекторных связей в центральной нервной системе. Устройство позво ляет моделировать угасание и, выработку условных рефлексов в различной ,степени неопределенности поставлен" 36 12ных задач с выделением наиболее правильных решений, Введение в устройство модели пейсмекерного нейрона значительно расширяет диапазон моделируемых Функций, позволяет моделировать влияние типа нервной системы и эмо" ций на условнорефлекторные процессы и их подвижность, Применение,устройства в физиологических экспериментах может быть полезным в уточнении роли ритмоводящих механизмов цент" ральной нервной системы в образовании межнейронных и временных,условнореф" лекторных связей,Устройство может применяться в обучающихся системах, в том числе в роботах.Формула изобретения1. Устройство для моделирования условнорефлекторных связей, содержащее И групп источников напряжения, К источников условных сигналов, щ источников безусловных сигналов и М ас" социативных блоков обработки сигналов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены о преобразователей частоты в напряжение, блок из И групп по л ключей и модель рит" мообразующего нейрона, выход которой подключен к первым входам ассоциативных блоков обработки сигналов, выходы 1-го 1= 1,2М) ассоциативного блока обработки сигналов соеди" нены соответственно с управляющими входами ключей 1-й группы, информаци" онные входы которого подключены к выходу 1"го источника условных сигналов и к второму входу 1-го ассоциативного блока обработки сигналов, выход каждого источника безусловных сигналов через соответствующий преобразователь частоты в напряжение соединен с одним из входов первой группы каждого ассоциативного блока обработки сигналов, выходы 1-й группы источников напряжения подключены к второй группе входов 1-го ассоциативного блока обработки сигналов, выходы блока ключей являются выходами устройства.2, Устройство по и. 1, о т л иц а ю щ е е с я тем, что каждый ассоциативный блок обработки сигналов содержит узел интегрирования условных сигналов и е узлов интегрирования без9572 3условных сигналов, первые выходы которых подключены соответственно кгруппе входов суммирования узла интегрирования условных сигналов, ин"формационный вход которого является 5вторым входом блока-й (= 1,2, р)вход первой группы которого соеди 1нен с первым входом ) "го узла интегрирования безусловных сигналов, вто"рой выход которого является одним извыходов блока, первый и второй выходыузла интегрирования условных сигна"лов подключены соответственно к вто-,рому и третьему входам всех узлов интегрирования безусловных сигналов, Итретийвыход каждого узла интегрирования безусловных сигналов со"единен с соответствующими входамисуммирования соответствующих узловинтегрирования безусловных сигналов, 20четвертые входы которых подключенык первому входу блока, вторая группавходов которого соединена соответственно, с пятыми входами узла интегрирования безусловных сигналов, порого ззадающий вход узла интегрирования ус"ловных сигналов подключен к одному извходов второй группы блока,3. Устройство по пп, 1 и 2, о т "л и ч а ю щ е е с я тем, что узел ин щтегрирования условных сигналов содержит преобразователь частоты в напряжение, интегратор, схему сравнения,элемент задержки и сумматор, входы ко.торого подключены к группе входовсуммирования узла и-к порогозадающемувходу узла, информационный вход кото"рого через преобразователь частоты внапряжение соединен с первым выходом 36 14узла и с входом интегратора, выход которого подключен к первому входу схемы сравнения, выход которой соединенс вторым выходом узла, выход суммато"ра через элемент задержки подключенк второму входу сравнения,Устройство по по. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что узел ин"тегрирования безусловных сигналов содержит два сумматора, схему сравнения,элемент запоминания напряжения, первый и второй ключи, управляющие вхо- .,ды которых соединены соответственнос вторым и четвертым входами узла,первый вход которого подключен к входу первого ключа, выход которого со-единен с первым выходом узла и с первым входом первого сумматора, выходкоторого подключен к входу второгоключа, выход которого соединен с входом элемента запоминания напряжения,выход которого подключен к третьемувыходу узла, к второму входу первогосумматора и к первому входу схемысравнения, выход которого соединен свторым выходом узла, пятый и суммиру"ющие входы которого подключены к вхо"дам второго сумматора, выход которогосоединен с вторым входом схемы сравнения, управляющий вход элемента за"поминания напряжения подключен к тре"тьему входу узла.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРй 517904, кл, 6 06 С 7/60, 1972.2, Авторское свидетельство СССРИ 429433, кл, С 06 О 7/60, 1972