Устройство для воспроизведения передаточной функции нервной клетки

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ВТИ 33 ЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 2 б 0179 (21) 2723778/18-24с присоединением заявки Йо(5)М. Кл. 6 Об С 7/б 0 Государственный коинтет СССР по делам нзобретеннй и открытнй(72) Автор изобретения А,А, Кирин Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Зиамени государственный университет им. М.В, Лбмоносова(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ Изобретение относится к электротехническим устройствам и может бытьприменено в Физиологии, кибернетике,медицине.Известна модель нейрона, включающая в себя сумматоры, интеграторы,реле, контуры обратной связи 1 1.Недостатки этого устройства - невысокая точность получаемых парамет"ров и узкий диапазон работы и получаемых параметров,Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для воспроизведения передаточной функции нервнойклетки, содержащее сумматор, выходкоторого соединен с,входом первогоинтегратора, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства и соединен с первым входом сумматора, второй и третий входы которого являются входами устройства. Кроме этого, устройство содержит двапреобразователя и еще один контурнелинейной обратной связи 2 .К недостаткам такого устройстваследует отнести его сложность игромоздкость, узкий диапазон работыи получаемых параметров, невысокуюих точность. Цель изобретения - повышение точности воспроизведения передаточной ФункцииУказанная цель достигается тем,что в устройство, содержащее сумматор,выход которого соединен с входомпервого интегратора, выход которогоподключен к входу второго интегратора, выход которого является выходомустройства и соединен с первым входом сумматора, второй и третий входыкоторого являются входами устройства,введены блок умножения, инвертор иреле, обмотка которого подключена к 5 шине нулевого потенциала и к выходусумматора, выход сумматора соединенс первым входом блока умножения,выход которого подключен к четвертомувходу сумматора, пятый вход которого 20 соединен с вторым входом блока умножения и с переключающим контактом реле, раэьаакающий контакт которого подключен к выходу первого интегратораи к входу инвертора, выход которогосоединен с замыкающим контактом реле. На фиг, 1 представлена схема предлагаемого устройства, на, Фиг. 2графически отображены результаты 30 проверки работы устройства при раэ 860096лйчных значениях внешнего сигнала и параметров модели.Устройство состоит из сумматора 1, первого и второго интегратора 2 и 3, инвертора 4,блока 5 умножения, реле б с контактной группой 7, входов 8 и 9 и выхода. 5Устройство работает следующим образом.На вход 8 подают сигнал а в соответствии с которым на клетке устанавливается потенциал покоя, Сигнал б на входе 9 соответствует величине внешнего раздражителя, действующего на клетку.На вход интегратора 2 поступает 15, сигнал с сумматора 1, С интегратора 2 сигнал поступает как на интегратор 3 (откуда через контур обратной связи идет на вход сумматора), так и в прямом и обратном (инвертированном) 20 значении на вход сумматора 1 и на вход блока 5, где происходит умножение его на значение выходного сигнала сумматора 1. Полученное произведение поступает на вход сумматора. Из- д 5 менение знака сигнала, поступающего с выхода интегратора 2 в контур обратной связи и на блок 5, происходит с помощью реле б при достижении определенного значения сигнала на выходе сумматора 1. На выход интегратора 3 подают начальное значение, равное величине потенциала покоя. Искомое значение потенциала на мембране нервной клетки снимают с выхода 10.Специфические особенности различных типов нервных клеток отражают путем изменения веса сигналов, поступающих на входы блоков. В частности, 40 вес сигнала, поступающего из блока 5 на вход сумматора, отражает возбудимость клетки. Снижение возбудимости выражается в том, что этот сигнал умньшаетс, превращается в нуль и 45 система начинает работать как обычная система второго порядка. Система приобретает свойства живой (возбудимой) системы при отличных от нуля значениях воздействия на общие 50 свойства системы произведения сигналов, возникающих на выходе сумматора и первого интегратора, когда она работает в соответствии с уравнением состояния живой системы:Н, У Р РУ+ + + . =1, (1)Но Уо РО "где Н - экстенсивный;У - временной;Р - интенсивный параметр процесса;ЪУ Р - соответственно их максимальо оные значения;а - параметр функционального состояния системы. 65 Применительно к системе, генерирующей электрические сигналы, уравнение (1) может быть записано в виде% Й 7С "9 2% ц Е, (а)где с 1 - величина заряда на емкостиС;Ч - сила тока через сопротивление;- скорость изменения силы тока;Е - индуктивность;Е - напряжение внешнего источника тока.П р и м е р . Моделирование мото- нейрона кошки.Принимают стандартные значения параметров мотонейрона кошки(С = 3 10 Ф, 8=0,8 10 Ом и потенциал покоя ПП 0,07 В) но замедляют течение времени на модели в 1000 раз, тогда уравнение (2) превращается в машинное вида- +10 с +7 с Ф-8:Оо 1 ФЕ 11%м2 4 10 м м м1где Е 1 - сила внешнего раздражителя.Адекватно отражая свойства любых типов нервных клеток, находящихся в саьых различных состояниях, устройство воспроизводит типичную реакцию стандартного мотонейрона кошки при значениях а, приближающихся к 0,02, и при значениях Е в пределах 0,1-0,3,На фиг. 2 а дано изменение во времени выходного сигнала модели. под воздействием допорогового стимула. На оси абсцисс откладывается время в миллисекундах, на оС л ординат - ответ в вольтах в выходе 10. Стрелками обозначены моменты включения гиперполяриэующего (+) и деполяриэующегр (-) тока. Видно, что при подаче допорогового стимУла ответ устройства соответствует ответу живой клетки. Если же стимул превышает установленное на модели критическое значение, характер реакции на включение стимула положительного знака и на выключение стимула отрицательного знака не изменяется, однакс при выключении положительного стимула и при включении отрицательного появляется характерная для живых клеток реакция по принципу Все или ничего, величина ксторой не зависит от стимула (фиг. 2 б). На фиг. 2 в приведены результаты испытания воздействия на систему дополни 1 ельных стимулов в различные этапы процесса возбуждения (моменты воздействия обозначены стрелками). Нанесение сильного стимула в момент воэ" буждения не дает никакого ответа (абсолютная рефрактерность), после чего на сильный стимул может появитьсяслабый ответ (относительная рефрактерность). На Фиг. 2 г дано явление следовой гиперполяриэации, возникающее при увеличении коэффициента Е, а на Фиг, 2 д- явление спонтанной активности, возникающее при уменьшении коэффициента а (увеличение веса сигнала, поступающего с блока умножения на вход сумматора). Из фиг. 2 е видно, что при медленном возрастании стимула возбуждение возникает при большем уровне деполяризации, чем при быстром возрастании (явление адаптации) .Таким образом, предлагаемое устройство характеризуют простота и доступность реализации и теоретической интерпретации, большая точность в рабо-14 те (обеспечивается математическим подобием модели живой клетке). Мате,матическое подобие модели предполагает естественный характер ее функционирования, взаимодействия с внешни ми факторами и с подобными ей элементами, что открывает новые воэможности в познании сущности живого, лечении болезней, конструировании систем передачи инФормации и управления. Устройство позволяет моделировать генерацию электрических потенциалов любыми типами нервных клеток, находящимися в самых различных состояниях и подвергающихся самым различным воздействиям, Это обеспечивается тем что предлагаемая модель основана не на результатах имитации работы конкретного объекта, а на основе конкретизации фундаментальной Физиологической закономерности, которой подчиняются процессы жизнедеятельности. Формула изобретенияУстройство для воспроизведения передаточной функции нервной клетки, содержащее сумматор, выход которого соединен с входом первого интегратора,выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства и соединенс первым входом сумматора, второй итретий входы которого являются входами устройства, о т л и ч а ю щ е е -с я тем, что, с целью повышения точности воспроизведения передаточнойФункции, в устройство введены блокумножения, инвертор и реле, обмоткакоторого подключена к шине нулевогопотенциала и к выходу сумматора, выход сумматора соединен с первым входом блока умножения, выход которогоподключен к четвертому входу суммато"ра, пятый вход которого соединен свторым входом блока умножения н с переключающим контактом реле, размыкающий контакт которого подключен к выходу первого интегратора и к входуинвертора, выход которого соединенс замыкающим контактом реле.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Антомонов Ю.Г. и др. Элементытеории нейрона, Киев,Наукова думками,1966.2. Авторское свидетельство СССРР 152578, кл, О 06 6 7/60, 1962-РРЗ 0,0 Составитель А.Яицковедактор Н,Бушаева ТехредА. Бабинец Корректор У, Пономаренко Заказ 7550/32 Тираж 745 сно ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыти 113035, Москва, Ж"35, Раушская н 4/5