Устройство для моделирования нейрона

(51) М. Кл,е 6066 7/60 138807/24 иосудврственный номит Совета Министров ССС по делам изооретений и открытий(45) Дата опубликования исания 11,0(54), УСТРОЙСТВО в устия поис- едоваИзобретение относится к области моделировавтя нейронов и может найти применение в бионике, в частности при создании управляющих систем роботов,Известно устройство для воспроизведения функциональных свойств нейрона, принцип действия которого основан на преобразовании энергии, получаемой от некоторого источника 11Известное устройство не обеспечивает воспроизведения функциональных изменений размеров сомы нейрона и аксонного холмика,Наиболее близким по технической сущности к рассматриваемому является устройство для моделирования адаптивного нейрона, содержащее источ. ник энергии, последовательно соединенные блок пространственно-временного суммирования, лервый функциональный преобразователь, сумматор, дополнительный регулируемый источник энергии, блок экстремального регулирования динамическо. го порога активации нейрона и второй функцио. нальный преобразователь, последовательно соединенные инвертор и пропорционально-интегральный регулятор, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а вход инвертора соединен с МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА первым входом блока экстремального регулирования динамического порога активации нейрона 21Это устройство также не обеспечивает вос.произведения особенностей первой фазы процесса5 затормаживания нейрона, наблюдаемых в цитохимических экспериментах и которые характеризуются интенсивными кратковременными энергетическими затратами,Целью предполагаемого изобретения являетсяО расширение класса решаемых моделью нейрона задач,Поставленная цель достигается тем, чторойство введены: блок вычисления критеркового экстремального регулирования и посл5 тельно соединенные блок дифференцирования,блок выпрямления и второй дополнительный регулируемый источник энергии, выходом подключенный ко второму входу блока экстремального ре.гулирования динамического порога активации ней.О рона н ко второму входу второго функциональногопреобразователя, причем первый вход блока вычис.ления критерия поискового регулирования под.ключен к выходу блока дифференцирования, второй вход - к выходу регулируемого источника25 энергии, а выход - к функциональному входу.Ублока экстремального регулирования динамическо.го порога активации нейрона, причем к выходуустройства через регулируемый источник энергии,подключен третий вход второго функциональногопреобразователя, выход которого является вьгходом устройства, а четвертый вход - соединен свыходом блока пространственно-временного сум.мирования и со входом блока дифференцирования,второй вход первого функционального преобразо.вателя соединен с выходом второго функциональ 19ного преобразователя, входы блока простраяствен.новременного суммирования являются входамиустройства,На чертеже изображена блок-схема предпагае.мого устройства, 15Устройство содержит и входов 1, подключенных к блоку 2 пространственно-временного сумми.рования, первый функциональный преобразователь 3, регулируемый источник 4 энергии, второйфункциональный преобразователь 5, блок 6 экстремального регулирования динамического порога ак.,.тивации нейрона, сумматор 7, первый дополнительный регулируемый источник 8 энергии, инвертор 9,пропорционально интегральный регулятор., 1 Щблок 11 дифференцирования, блок 12 выпрямле- И, . ния, второй дополнительный регулируемый источник 13 энергии, блок 14 вычисления критерии поискового экстремального регулирования и выход 15(потоки энергии на схеме обозначены двойными .стрелками) . ЗОПринцип работы предлагаемого устройства сос- .тоит в следующем. На входы 1 поступают входныевоздействия Х; ( = 1 и), суммирующиеся вблоке 2 пространственно-временного суммирова-ния, выходом которого является величина суммар ЗЬного входного воздействия Хвх. В функциональном преобразователе 3, реализующем функцию(ОЕвх = Р, (Хвх- У.), зта величина преобразуется ввеличину сигнала, характеризующего уровень дисбаланса энергии Евх вызванного входным воздействием, причем величина выходного сигналанейрона 9 выступает в качестве одного из аргументов функции РПомимо функционального преобразователя 3,величина суммарного входного воздействия Хвх 45поступает на блок 11 дифференцирования, осуществляющий Функциональное преобразование этой ве.личины в сигнал, характеризующий уровень дис.Ъбаланса энергии гвх, вызванного скоростью изме.пения входного воздействия:50- (а) йъхъхРезультаты нейроцитохимических экспериментов позволяют сделать вывод о целесообразностивведения в модель нейрона трех регулируемыхисточников энергии - блоки 5,8 и 13 - реализующих соответственно функции: Е = С.,(У ср (а-л, а-к)где 8 - дискретное время; К - целое положительное число;Г( ф ) - единичная функция Хэвисайда.Преобразование (;ьосуществляется в блоке 12выпрямления, полярность включения которого та.кова, что он пропускает лишь отрицательные сигналы. Параметры регулируемых источников энергии 8и 13 подбираются таким образом, чтобы в момент(2)прихода тормозного сигнала величина Е,значительнопревышала бы величину Ерй). Регуляторные составляющие питающей энергииЕр и Ер затрачиваются на функционирование основного регуляторного механизма нейрона - блока 6поискового экстремального регулирования, который, изменяя динамический порог й активациинейрона, влияет как параметр на функциональныйпреобразователь 5, преобразующий суммарныйвходной сыгнал Хвх нейрона в выходной сигналт, т.е. реализующий фикцию:р)У =РвхАЕрД)В этом выражении Ер/выступает как информационный сигнал об уровнеэнергии. ЕрЯЦель экстремального регулирования - минимизация как энергетических затрат на функциональ.ное поведение нейрона фф ф), так и уровнядисбаланса энергии, обусловленного скоростью из-менения, суммаряого входного воздействия(," в) вырабатывается в блоке 14 вычисле.ния критерия поискового экстремального регули.рования, реализующем функцию:0=0(Еф Евх)И)Информационный сигнал об уровяе энергии Ерподается через инвертор 9 на вход пропорциональноинтегрального регулятора 10, выход которого Е,через сумматор 7, где он суммируется с сигналом,("Евх, поступает на вход первого дополнительногоисточника 8 энергии регулирования при возбужде.нии и торможении. Коэффициент интегрированияпропорционально-интеграпьного регулятора 10 под.бирается в соответствии с инерционными характеристиками источника 8 энергии и с характернымвременем отслеживания экстремума функции 0 спомощью блока б экстремального регулирования, Всвою очередь, пропорционально-интегральный регу.пятор 10,сводя к,нулю затраты энергии яа процессактивного поискового экстремального регулирования Ер, отключает блок б экстремального регулиро 6)вания после достижения системой автоматического.поиска минимального значения функции О,Таким образом, введение укаэанных блоков исоответствующих связей позволило воспроизвестинаблюдаемый в цитохимических экспериментахфакт интенсивных кратковременных энергетичес.ких затрат в нейроне, возникающих в моментприхода на него тормозного сигнала (т.е, в первуюочередЬ фазу процесса затормаживания нейрона), и. Проекиа таким образом, повысить точность моделированияпроцессов, происходящих в нейроне, г,е, обеспечило,расширение функциональных возможностей уст-ройства. Формула изобретения Устройство для моделирования нейрона, содержащее регулируемый источник энергии, последова. тельно соединенные блок пространственно-временного суммирования, первый функциональный преобразователь, сумматор, дополнительный регулируемый источник энергии, блок экстремального регулирования динамического порога активации нейро. на и второй функциональный преобразователь, последовательно соединенные инвертор и пропорцио. нально-интегральный регулятор, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а 1 вход инвертора соединен с первым входом блока экстре. мального регулирования динамического порога активации нейрона, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения класса решаемых задач, оно содержит блок вычисления критерия поискового экстремального регулирования и последовательно соединенные блок дифференцирования, блок вы прямления и второй дополнительный регулируемый источник энергии, выходом подключенный ко вто.рому входу блока экстремального регулирования динамического порога активации нейрона и ко второму входу второго функционального преобразователя, причем первый вход блока вычисления критерия поискового регулирования подключен к выходу блока дифференцирования, второй вход - к выходу регулируемого источника энергии, а вы ход - к функциональному входу блока экстре 19 йального регулирования динамического порога ак.гивации нейрона, причем к выходу устройства через регулируемый источник энергии, подключен третий вход второго функционального преобразователя, выход которого является выходом устройства, а 1 четвертый вход - соединен с выходом блока пространственно-временного суммирования и со входом блока дифференцирования, второй вход перво.го функционального преобразователя соединен с выходом второго функционального преобразовате) ля, входы блока пространственно. временного суммирования являются входами устройства,Источники информации, принятые во вниманиепри экспертизе:1, Авторское свидетельство Иа 494752, И 50667/601968.2, Авторское свидетельство Ма 224892,0 06 6 7/60, 1968.