Устройство для моделирования нейрона

О П И С А Н И Е рп 528580ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических РеслублинДополнительное к авт. свид-вуЗаявлено 29.04.75 (21) 2129826/24 151) М Кч е 6 066 7/60 инением заявкисо Государственный комитет Совета Министров СССР до делам изобретенийи открытий 23) ПриоритетОпубликовано 15.09.76. Бюллетень М 34 Дата опубликования описания 04.10.6 53) УДК 681.333(088(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙР ва для моделирования входные блоки, генера литель мощности выходИзобретение относится к устройствам дляизмерения и обработки электрических сигналов и может быть использовано в качествеаналого-дискретного элемента обработки информации в системах распознавания образов,автоматического управления, контроля и диагностики состояния различных техническихустройств.Известны устройстнейрона, содержащиетор импульсов и усиных сигналов.Известно также устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов и последовательно соединенные генератор импульсов и усилитель,подключенный к выходу устройства,Однако известные устройства не обеспечивают точного моделирования основных функциональных свойств биологического нейрона. 2:1Для повышения точности моделированиясвойств биологического нейрона предлагаемоеустройство содержит сумматоры, к первымвходам которых подключены выходы блоковформирования входных сигналов, пороговый 25блок, выходы которого соединены со вторымивходами сумматоров, блоки согласования, выходами подключенные к соответствующимтретьим входам сумматоров, и последовательно соединенные дифференциальный усилитель ЗО и токозадающии блок, выход которого подключен ко входу генератора импульсов, а входы дифференциального усилителя соединены со входами блоков согласования и с выходами сумматоров.На фиг. 1 дана структурная схема описываемого устройства, где 11 и 1 - блоки формирования входных сигналов, 2, и 2, - сумматоры, 3 - дифференциальный усилитель, 4 - токозадающий блок, 5 - генератор импульсов, 6 - усилитель, 1 и 72 - блоки согласования, 8 - пороговый блок, 9 - выход устройства.На фиг, 2 приведена статическая характеристика устройства, где х; - входной сигнал (стимул) на -й вход, 5, - синаптический вес 1-го входа, Я - порог чувствительности, Х - знак суммирования, 1 - частота выходных импульсов устройства, т=1, 2, , /з, где /е - общее количество используемых входов устройства.Устройство для моделирования нейрона рассчитано на работу с непрерывными и импульсными входными сигналами отрицательной полярности.Входные сигналы поступают на блоки 1 и 1, формирования входных сигналов, содержащие соответственно возбуждающие и тормозные входтл устройства. Блоки 1 и 1 з служат для установки спнаптпчгскпх весов 5; соответственно возбуждающих и тормозных входов.бочем диапазоне частот устройства. Выход генератора импульсов соединен со входом усилителя 6, который служит для усиления мощности выходных импульсов устройства.Выход устройства независим от входа. Благодаря этому достигается хорошая реакция 60 3Блок 1, и сумматор 21 образуют возбуждающий канал устройства, а блок 1, и сумматор 2 - тормозной канал устройства. Сумматоры 21 и 2 совместно с блоками 1, и 1 осуществляют взвешенное суммирование во времени и 5 в пространстве входных сигналов. Сумматоры обеспечивают также развязывание входов устройства, линейное суммирование входных сигналов и стабильную чувствительность устройства к одновременно воздействующим на 10 его входы сигналам. 11 мпульспые входные сигналы сумматоры преобразуют в аналоговую величину. Крутизна характеристики сумматоров и, следовательно, устройства в целом зависит от синаптических весов устройства и 15 определяет такие режимы его работы, как умножение или деление частоты входных импульсов, аналогичные свойству трансформации ритмики биологического нейрона.Пороговый блок 8 служит для установки 20 порога чувствительности или уровня начального возбуждения устройства. Он имеет два выхода, один из которых соединен со входом сумматора 2 а другой - со входом сумматора 2,. Выходные сигналы порогового блока 25 воздействуют на соответствующие сумматоры аналогично любым другим непрерывным входным сигналам.Выходные сигналы сумматоров 21 и 2, сравниваются с помощью дифференциального уси лителя 3. Если суммарный сигнал возбуждающего канала, снимаемый с сумматора 2 ь больше суммарного сигнала тормозного канала, снимаемого с сумматора 2 то на выходе дифференциального усилителя 3 образуется 35 сигнал, пропорциональный их разности. В противном случае сигнал на выходе дифференциального усилителя отсутствует. Применение дифференциального усилителя позволяет изолировать блоки пространственно-временного 40 суммирования входных сигналов от генератора 5 импульсов, а также использовать однополярные входные сигналы для процессов возбуждения и торможения, что наиболее адекватно биологическому нейрону.45Выход дифференциального усилителя 3 соединен с токозадающим блоком 4, который служит для преобразования выходного сигнала дифференциального усилителя в соответствии с требуемым законом изменения статиче ской характеристики устройства (см. фиг. 2). Выход токозадающего блока соединен со входом генератора 5 импульсов.Генератор импульсов моделирует свойства аксонного холмика нейрона, его абсолютный и 55 относительный рефрактерные периоды. Зависимость частоты выходных импульсов генератора от входного сигнала является линейной, Параметры импульсов стабильны на всем раустройства на сигналы обратной связи, являюгциеся аналогами коллатералей биологического нейрона и служащие для изменения крутизны статической характеристики устройства.Моделирование динамических свойств нейрона осуществляется с помощью блоков 7, и 7 согласования, Они позволяют моделировать адаптацию, эффекты типа оп, оЦ и оп - оЦ, постактивационное усиление, кратковременное запоминание стимула и долговременное динамическое запоминание факта воздействия стимула.Вход блока 71 подключен к выходу сумматора 2, и воспринимает суммарный сигнал возбуждающего канала, а выход его подключен ко входу сумматора 2 тормозных входов, Аналогично вход блока 7 подключен к выходу сумматора 2, а выход - ко входу сумматора 2 ьСвойство адаптации нейрона для возбуждающих входов моделируется с помощью блока 7 ь а для тормозных входов - с помощью блока 7,. При поступлении сигналов на возбуждающие входы устройства их суммарный сигнал с выхода сумматора 21 воздействует на вход блока 7 ь При этом на выходе блока 7, с некоторым запаздыванием появляется сигнал, который увеличивается по экспоненциальному закону и воздействует на вход сумматора 2 тормозного канала. Это приводит к уменьшению частоты выходных импульсов устройства при неизменном сигнале на его возбуждающих входах. При адаптации по тормозным входам блок 7 г оказывает на устройство в течение некоторого времени возбуждающее воздействие. Время и глубину адаптации можно изменять в широких пределах путем изменения постоянной времени и коэффициента усиления блоков согласования.Оп-эффект - реакция устройства на появление или увеличение стимула - моделируется с помощью блока 7, при уменьшении величины его постоянной времени.Моделирование оЦ-эффекта и свойства постактивационного усиления осуществляется устройством при включенном блоке 7 и выключенном блоке 7 ь При значениях регулируемых параметров блока 7, обеспечивающих сравнительно небольшую обратную связь с тормозного канала на возбуждающий, на выходе устройства появляется пачка импульсов лишь при выключении тормозного воздействия, При увеличении обратной связи реакцию устройства можно наблюдать на протяжении всего времени действия тормозного воздействия, Это явление отражает свойство постактивационного усиления биологического нейрона,Эффект типа оп - оЦ - свойства кратковременного запоминания стимула и долговременного динамического запоминания факта воздействия стимула моделируются при одновременном включении блоков 71 и 7 г согласования, В этом случае при включении скачкообразного возбуждающего стимула на выходе30 устройства появляется пачка импульсов, обусловленная тормозным действием блока 7 ь Блок 7, компенсирует по экспоненциальному закону возбуждающее воздействие, создавая тормозной сигнал. Блок 7 воспринимает этот сигнал и формирует обратную связь на вход канала возбуждения. После этого при соответствующих значениях регулируемых параметров блоков 7, и 7, устройство переходит в заторможенное состояние.После выключения стимула на возбуждающем канале устройства остается в течение некоторого времени сигнал обратной связи с блока 7, а на тормозном канале - сигнал обратной связи с блока 7 который в данном случае значительно больше первого (примерно на величину выключенного возбуждающего стимула).Если постоянная времени блока 7 меньше постоянной времени блока 7, то после разряда блока 7 на выходе устройства появляется пачка импульсов, вызванная продолжающимся разрядом блока 7. Такая реакция устройства аналогична эффекту биологического нейрона типа оп - оЦ,Если пачка импульсов на выключение возбуждающего воздействия достаточно велика, то она может вызвать последующие постепенно убывающие реакции устройства. Данный режим работы устройства моделирует свойстд 10 15 20 2 д во кратковременного запоминания стимула в биологическом нейроне.При определенных значениях регулируемых параметров блоков 7 и 7 согласования можно обеспечить в ответ на запускаемый стимул непрерывное генерирование устройством пачек импульсов. Таким образом устройство осуществляет долговременное динамическое запоминание факта воздействия стимула. Формула изобретения Устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки формирования входных сигналов и последовательно соединенные генератор импульсов и усилитель, подключенный к выходу устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, оно содержит сумматоры, к первым входам которых подключены выходы блоков формирования входных сигналов, пороговый блок, выходы которого соединены со вторыми входами сумматоров, блоки согласования, выходами подключенные к соответствующим третьим входам сумматоров, и последовательно соединенные дифференциальный усилитель и токозадающий блок. выход которого подключен ко входу генератора импульсов, а входы дифференциального усилителя соединены со входами блоков согласования и с выходами сумматоров..2 Изд.1589 Тираж 864 Государственного комитета Совета Минист по делам изобретений и открытий 13035, Москва, К, Раушская наб., д. 45