Устройство для моделирования нейрона

О П И С А Н И Е рц 51973 ОИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(51) М. К явки Ло исоединени Государственный комите Совета в 1 инистров ССС по делам изобретенийн открытий(044.8 Опубликовано 30.06.76. Бюллетень Дата опубликования описания 21,% 24 72) Авторы изобретегп(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МО НЕЙРОНАРОВАН ИЯ Изобретение относится к устроиствам для измерения и обработки электрических сигналов и предназначено для использования в качестве аналого-дискретного элемента обработки информации в системах распознавания образов, а также в предсказывающих устройствах, в частности в электронных системах автоматического управления и контроля состояния электро- и радиооборудования летательных аппаратов.Известно устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов, последовательно соединенные пороговый блок, генератор импульсов, блок дифференцирования и усилитель-формирователь выходных импульсов, и пространственно-временной сумматор, выход которого подключен к соответствующему входу генератора импульсов, а первый и второй входы соединены с выходами блока торможения и возбуждения, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго блоков формирования входных сигналов.Однако известное устройство не обеспечивает необходимой точности моделирования.Предложенное устройство отличается тем, что, с целью увеличения точности моделирования, оно содержит блок моделирования адаптации, блок моделирования эффекта отг, блок моделирования запоминания стимула и блок моделирования эффекта оЦ и постактивационного усиления, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования входных сигналов, причем вы ходы блока моделирования адаптации и блока моделирования эффекта оц соединены соответственно с третьим и четвертым входами пространственно-временного сумматора.Выходы блока моделирования запоминания 10 стимула и блока моделирования эффекта оДи простактивационного усиления подключены к соответствующим входам генератора импульсоз, а к другому входу блока моделирования запоминания стимула подключен 15 выход усилителя-формирователя выходныхимпульсов.На фиг, 1 приведена структурная схемаустройства; на фиг. 2 - статическая характеристика устройства.20 На фиг. 1 обозначено: 1 - 4 - входыпростанственно-временного сумматора, 5, - 5 в - блоки формирования входных сигналов, 6 - блок моделирования запоминания стимула, 7 - блок моделирования эффекта 25 о 11 и постактивационного усиления, 8 - блокторможения, 9 - блок возбуждения, 10 - блок моделирования адаптации, 11 - блокмоделирования эффекта отг, 12 - пространственно-временной сумматор, 13 - пороговый 30 блок, 14 - генератор импульсов, 15 - блок45 50 55 б 0 65 дифференцирования, 16 - усилитель-формирователь выходных импульсов, 17 - выходная клемма.На блоки формирования входных сигналов устройства поступают сигналы от других мо делей нейрона или рецепторов. В блоках 5 - 56 осуществляется умножение поступающих сигналов на некоторый коэффициент, значение которого изменяется в пределах 0 - 1.В пространственно-временном сумматоре 12 производится суммирование во времени и пространстве комбинации приходящих сигналов, причем сигналы, поступающие от блока возбуждения 9, способствуют возбуждению устройства. Сигналы с выхода блока торможения 8 оказывают на устройство тормозящее воздействие и препятствуют его возбуждению.Сумма входных сигналов с пространственно-временного сумматора 12 поступает на генератор импульсов 14, моделирующий аксонный холмик биологического нейрона. Если сумма возбуждающих и тормозящих сигналов меньше установленного порога чувствительности, то на выходе генератора импульсов сигнал отсутствует (устройство для моделирования нейрона не вобуждено). При надпороговом возбуждении устройства, когда сумма возбуждающих и тормозящих сигналов превышает порог его чувствительности, генератор импульсов осуществляет преобразование накапливаемой на пространственно-временном сумматоре суммы входных сигналов в частоту выходной импульсации генератора импульсов подобно аксонному холмику биологического нейрона.Непрерывное изменение порога чувствительности устройства в широких пределах от бесконечности (режим полной нечувствительности) до минимального значения (режим максимальной чувствительности с предельной частотой, определяемой периодом рефрактерности модели аксон ного холмика) осуществляется пороговым блоком 13. При возбуждении устройства импульсы с генератора 14 дифференцируются блоком 15, который служит для управления работой усилителя-формирователя выходных импульсов 16. При поступлении импульсов с дифференцирующего блока усилитель-формирователь выходных импульсов усиливает их и формирует на выходной клемме 17 импульс, близкий по форме к импульсу ритмики биологического нейрона. Моделирование периодов абсолютной и относительной рефрактерностей осуществляется за счет переходных процессов в цепях усилителя-формирователя выходных импульсов.Период абсолютной рефрактерности определяется временем формирования одиночного импульса на выходе усилителя-формирователя 16, а период относительной рефрактерности - временем восстановления этого усилителя,5 10 15 20 25 30 35 40 Статическая характеристика устройства (на фиг. 2) воспроизводит статическую характеристику биологического нейрона. В зависимости от настройки порога устройства и предыстории его возбуждения устройство осуществляет умножение входной частоты импульсов.Использование блока дифференцирования 15 позволяет также изменять в широких пределах наклон линейных участков статической характеристики за счет обратной связи между выходом и входом устройства без потери устойчивости его работы,Свойство адаптации биологического нейрона, определяемое взаимодействием процессов возбуждения и торможения на мембране, достигается за счет включения в схему блока 10 моделирования адаптации. Приходящий на блок моделирования адаптации возбуждающий (тормозящий) сигнал запускает одновременно тормозящий (возбуждающий) процесс, который развивается по экспоненциальному закону и через определенный промежуток времени компенсирует возбуждающий (тормозящий) сигнал. Изменяя параметры блока моделирования адаптации, можно в широких пределах регулировать время и глубину адаптации.Блок моделирования оп вызывает реакцию устройства на появление или увеличение сигнала, подаваемого с блока формирования входного сигнала. Эти моменты временй устройство отмечает генерацией пачек импульсов, длительность которых зависит от параметров и настройки блока моделирования эффекта оп,При подаче сигнала с блока 5, через блок 7 устройство генерирует пачки импульсов в моменты времени, соответствующие началу уменьшения или исчезновения анализируемого сигнала, при этом моделируется эффект оЦ биологического нейрона. При соответствующей настройке блока 7 в устройстве моделируется свойство постактивационного усиления, которое заключается в постепенном повышении частоты выходных импульсов устройства после подачи через блок 7 постоянного по уровню сигнала. Время и глубину постактивационного усиления можно регулировать изменением параметров блока 7.Блок 6, имеющий два входа, моделирует в устройстве свойство кратковременного запоминания стимула при длительном его воздействии и постепенного забывания его при выключении стимула. На входы блока 6 сигналы поступают как с выходной клеммы 17, так и непосредственно с блока формирования входных сигналов 5,.При появлении сигнала хотя бы на одном из входов блока 6 на его выходе появляется сигнал, нарастающий по экспоненциальному закону. Этот сигнал поступает на вход генератора импульсов 14 и поддерживает частоту импульсации на выходе устройства. При мгновенном отключении сигналов на входе519730 Риз.г Составитель Е. Тимохинаактор Топорова Техред 3. Тараненко Корректор А. Овцинннков каз 1551/7ЦНИИП 864Министровйд. 4/5 Изд.1466 Государственного комите по делам изобретении 13035, Москва, Ж, РауПодписноСР Тираж Совета и открыт ская набТипография, пр. Сагунов устройства частота импульсации на его выходе уменьшается по экспопенциальному закону.Время запоминания и забывания стимула можно изменять путем регулирования параметров блока моделирования запоминания стимула. Формула изобретенияУстройство для моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов, последовательно соединенные пороговый блок, генератор импульсов, блок дифференцирования и усилитель-формирователь выходных импульсов, и пространственно- временной сумматор, выход которого подключен к соответствующему входу генератора импульсов, а первый и второй входы соединены с выходами блоков торможения и возбуждения, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго блоков формирования входных сигналов, отл ич а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности моделирования, оно содержит блок моделирования адаптации, блок моделирова ния эффекта оп, блок моделирования запоминания стимула и блок моделирования эффекта о 11 и постактивационного усиления, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования входных 10 сигналов, причем выходы блока моделирования адаптации и блока моделирования эффекта оп соединены с третьим и четвертым входами пространственно-временного сумматора, выходы блока моделирования запоми нания стимула и блока моделирования эффекта оД и постактивационного усиления подключены к соответствующим входам генератора импульсов, а к другому входу блока моделирования запоминания стимула под ключен выход усилителя-формирователя выходных импульсов.