Устройство для моделирования афферентного нейрона

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИЛ ЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)4 С 06 ( ОБРЕТЕНИ СА ТВУ СНСУ СИ,ЦТ НА(71) Институт физиологии им лова(56) Авторское свидетельство СССР В 1018131, кл. С 06 С 7/60, 1981,Авторское свидетельство СССР У 1360436, кл. С 06 Г 7/60, 1985. (54) УСТРОЙСТВО 11 ЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АФФЕРЕНТНОГО НЕЙРОНА(57) Изобретение относится к электронному моделированию свойств биологических нейронов и может быть использовано при изучении на моделях нейронных механизмов переработки ин,И.П.ПавГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ формации в зрительной и слуховой системах, в системе увеличения точностимоделирования афЬерентного нейрона,Цель достигается тем, что в устройство введены источник изменяемогонапряжения, п управляемых генераторов и и дифференцирующих КС-цепочек.Устройство преобразует аналоговыйсигнал, соответствующий изменениюрецепторного потенциала, в последовательность импульсов, которые распространяются с задержкой по цепочке генераторов. Новизна заключаетсяв механизме преобразования аналогового сигнала в импульсный поток и в изменении времени задержки в зави сти от частоты следования имггульсооль цепочки генераторов. 2 ил.Изобретение относится к электронному моделированию свойств биологических нейронов и может быть использовано при изучении на моделях ней 5ронных механизмов переработки информации в зрительной и слуховой системах, в системе управления движениями,а также в бионических системах и ро-ботостроении. 10Целью изобретения является увеличение точности моделирования афферентного нейрона за счет воспроизведения в реальном масштабе временипроцессов распространения сигналов 15по нервному волокну, обеспечивая соответствующие афферентным нейронамзадержку генерации импульса на выходе устройства по отношению к моменту возникновения импульса на его 2 Овходе.На фиг.1 дана блок-схема устройства для моделирования афферентногонейрона", на фиг.2 - схема управляемого генератора импульсов. 25Устройство содержит (фиг.1) управляемые генераторы 1 импульсов,дифференцирующие КС-цепочки 2 и источник 3 изменяемого напряжениямодель рецепторного образования). 30Управляемый генератор 1 состоитиэ операционного усилителя 4, резистивного делителя 5, времязадающегоконденсатора 6, резистора 7 обратной связи, разделительного диода 8,масштабирующего резистора 9, выпрямительного диода 10 и первого и второго времязадающих резисторов 11и 12.Устройство работает следующим образом,В исходном состоянии после подачи питающего напряжения и при отсутствии напряжения на выходе источника 3 на выходе всех операционных усилителей 4 устанавливается положительное напряжение, которое поддерживаетсяположительной обратной, связью через резистивный делитель 5. Отрицательная обратная связь через диод 8и резисторы 7 и 9 не работает, таккак диод 8 заперт положительным напряжением с выхода операционного усилителя 4. Такое состояние схемы устойчиво и может продолжаться неограниченно долго. Конденсаторы КС-цепоч 55ки не пропускают постоянный уровеньнапряжения, и на входах всех управляемых постоянным напряжением генераторов поддерживает нулевой потенциал.При появлении на выходе модели рецепторного образования положительного напряжения происходит заряд интегрирующего конденсатора 6 через резистор 11 и диод 10. Как только напряжение на конденсаторе 6 превысит пороговый уровень, устанавливаемый резистивным делителем 5, на выходе операционного усилителя 4 напряжениестановится отрицательным, замыкаетсяцепь обратной связи через открытыйдиод 8 и происходит перезаряд конденсатора 6 в соответствии с постоянной времени, которой формируется длительность отрицательного импульса на выходе генератора 1. На время генерации импульса отрицательное напряжение с выхода операционного усилителя 4 через диод 8 и резистор 12 запирает второй диод 10, блокируя действие постоянного входного напряжения на конденсатор 6 и обеспечивая таким об- разом постоянство длительности импульса на выходе генератора 1 независимо от уровня напряжения на его входе, После окончания формирования импульса положительное напряжение с выхода операционного усилителя запирает диод 8 в цепи отрицательной обратной связи и возобновляется процесс интегрирования входного напря" жения.Работа устройства позволяет трактовать характер преобразования аналогового напряжения на выходе модели рецепторного образования в последовательность импульсов на выходе генератора как присущий афферентному нейрону процесс генерации. Резистивный делитель 5 определяет пороги генерации импульса и его длительность, поддерживая уровень срабатывания схемы в пределах долей вольта (коэффициент деления равен 40). Диод 8 в цепи отрицательной обратной связи блокирует автоколебательный режим и обеспечивает устойчивое состояние схемы при нулевом уровне входного напряжения. Последовательно соединенные входной резистор 11 и диод 10 с параллельно ему включенными последовательно соединенными резисторами, 7 и 12, соединенные с инвертирующим входом операционного усилителя 4, через резистор 9 обеспечивают большую чувствительность схемы с малымзначением входных напряжений и уменьшают возможность насыщения для больших напряжений, позволяя охватить весь диапазон изменения входного сигнала в диапазон изменения частотыследования импульсов на выходе генератора (и, следовательно, всего устройства), соответствующий моделируемому афферентному нейрону.Использование последовательно соединенных через КС-цепочки управляемых напряжением генераторов (фиг.1) в устройстве для моделирования афферентного нейрона позволяет промоделировать еще некоторые свойства распространения импульсов вдоль нервного волокна, которые могут быть присущи не только афферентному нейрону, но и аксонам других клеток. Перепады напряжения во время генерации импульсов проходят через конденсатор КС-цепочки 2 и преобразуются в экспо-) ненциально изменяющиеся напряжения на входах генераторов. Отрицательное напряжение, появляющееся в момент генерации импульса предыдущим усилителем, не изменяет напряжение на выходе последующего генератора 1. Положительный перепад напряжения интегрируется на конденсатор 6 с постоянной времени входной цепи и, достигнув порогового уровня, вызывает генерацию импульса вторым усилителем 4, перепад напряжения на выходе которого от отрицательного значения к положительному заставляет сработать третий генератор 1 и т.д, По цепочке генераторов происходит распространение возникающего в первом генераторе импульса.Особенность предлагаемого устройства для моделиРования афферентного нейрона заключается в том, что импульс в следующем генераторе возникает с большей задержкой, чем длительность генерируемого предыдущим генератором импульса на величину, определяемую параметрами КС-цепочки и постоянной времени интегрирования входной цепи. генератора. Это позволяет сократить число генераторов в цепочке для получения той же величины задержки. Другой особенностью устройства является уменьшение времени задержки генерации импульса последующим генератором при увеличении частоты следования импульсов на выходе предыдущего. Такой эффект присущ ре 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 альным нервным проводникам, когда распространяющиеся с малыми межимпульсными интервалами пачки импульсов, увеличивая зону деполяризации нервных волокон, перескакивают через несколько перехватов Ранвье, увеличивая скорость проведения возбуждения, В устройстве этот эффект достигается автоматически вследствие увеличения положительного напряжения на входе генераторов по мере уменьшения скважности в последовательностях импульсов на выходе предыдущих генераторов, что требует меньшего времени интегрирования для достижения порога генерации.Моделирование осуществляется в реальном времени с параметрами преобразования на отдельных элементах, аналогичными параметрам биологических структур, что позволяет осуществлять непосредственное сравнение результатов модельных и биологических экспериментов в форме, принятой в нейрофизиологических исследованиях. Формула изобретения Устройство для моделирования афферентного нейрона, содержащее управляемый генератор импульсов, состоящий из первого и второго времязадающих резисторов, выпрямительного диода и времязадающего конденсатора, первая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, вторая обкладка времязадающего конденсатора через масштабирующий резистор подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с катодом разделительного диода, анод которого через резистор обратной связи подключен к второй обкладке времязадающего конденсатора, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен со средним выводом резистивного делителя, первый вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход операционного усилителя является выходом управляемого генератора, о т л и ч а ю щ е е - с я тем, что, с целью увеличения точности моделирования афферентного нейрона за счет воспроизведения в реальном масштабе времени процессов распространения сигналов по нервному волокну, в него введены источник изменяемого напряжения, и управляемых1401490 Составитель А. Техред И,Дидык ков едактор Н.Лазаре орректор Г.Р ник аз 2787/4 раж 704венного комитета СС т По е ВПИИПИ Государс по .",лам изоб13035, 11 о ква, Жетений и Открытии5, Раушская наб д оизводственно-поли рафическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная генераторов и п дифференцирующихКС-цепочекуправпяемые генераторычерез дифференцирующие КС-цепочкисоединены последовательно, вход пер-,вого управляемого генератора подключен к выходу источника изменяемогонапряжения, выходы всех управляемыхгенераторов являются выходами устройства, в каждом управляемом генераторе 1 Опервый вывод первого демязадающего резистора соединен с входом управляемого генератора, а его второй вывод - с .анодом выпрямительного диодаи через второй времязадающий резистор с анодом разделительного циода,катод выпрямительного диода подключен к второй обкладке времязадающегоконденсатора, второй вывод резистивного делителя соединен с выходом операционного усилителя.