Устройство для моделирования нейрона неокортекса

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 18 4 С 06 С 7 60 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТпО изОБРетениям и ОтнРытияПРИ ПКНТ СССР ОПИСАН К АВТОРСКОМ ИЗ ЕНИЯ юп. У 9иационный инсникидзеА.А. КолесникоА.В.Савельев8.8)видет06 С 7 ельство С /60, 197 РОВАНИЯ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИНЕЙРОНА НЕОКОРТЕКСА(57) Изобретение относитсмедицинской техники и мож. использовано при исследовханизмов мозга методами амоделирования, а также влогических экспериментах,ретеиия - повышение досто к обл быть нии алоговог йрофизи Цель изоберности(56) АвторскоеУ 512478, кл. С У СВИДЕТЕЛЬСТВ моделирования деятельности нейронанеокортекса путем воспроизведениявоздействия диффузионных процессоввозбуждения по коре моноаминов на его модуляцию. Поставленная цель реализуется в результате введения в состав известного устройства блоков моделирования термозящих 19 и возбуждающих рецепторов моноаминов, триггера 21, нелинейного элемента 22 и блока 23 моделирования диффузионных процессов моноаминов. Предложенное устройство обладает способностью значительно изменять функциональное состояние нейрона неокортекса при действии нейроновэмоциональных центров аф на входы рецепторов моноаминов, позволяя тем самым моделировать механизмы эмоциональных реакций на клеточном уровне, 2 з.п. ф-лы, Э ил, Ъ фИзобретение относится к медицинской технике и может быть использованопри исследовании механизмов мозгаметодами аналогового моделирования,а также в нейрофизиологических экспериментах,Пель изобретения - повышение достоверности моделирования пеятельности нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионныхпроцессов возбуждения по коре моноаминов на его модуляцию.На фиг. 1 показана функциональнаясхема устройства; на Фиг.2 - схема 15блока моделирования рецепторов моноаминов; на фиг.3 - схема блока моделирования диффузионных процессовмоноаминов,Устройство для моделирования нейрона (фиг.1) содержит возбуждающие 1и тормозящие 2 входы блоков моделирования возбуждаюших 3 и тормозящих4 синапсов,.в состав этих блоковвходят элементы 5 задержки, буферные каскады 6 и управляемые резисторные элементы 7 с накопителями 8, аддитивный сумматор 9, элемент 10 сравнения, блок 11 Формирования порогавторой интегратор 12 преобразователь 3013 напряжения в частоту, первый интегратор 14, Формирователь 15 импульсов, блок 16 управления синапсами,двухвходовые сумматоры 17 и 18, блоки моделирования тормозящих 19 и возбуждающих 20 рецепторов моноаминов,триггер 21, нелинейный элемент 22 иблок моделирования диффузионных про-.цессов моноаминов 23,Бпоки моделирования тормозящих 19 40и возбуждающих 20 рецепторов моноами"нов содержат последовательно соединенные блоки 24 задания весовыхкоэффициентов и блоки 5 задержки,второй сумматор 26, третий интегратор 27 и релейный элемент 28.Блок 23 моделирования диффузионных процессов моноаминов содержитпервый 29, второй 30 и третий 31ключи, первый 32 и второй 33 диодыэлементы ИЛИ 34, первый 35 и второй36 элементы НК-И.Устройство для моделирования нейрона неокортекса работает следующимобразом, 55На возбужцающие 1 и тормозящие 2входы блоков моделирования синапсовсоответственно возбужцающих 3 и тормозящих 4, поступают испульсные последовательности - выходные сигналы других нейронов, Задерживаясь в элементах 5 зацержки на время синаптической задержки и инвертируясь в элементах 5 тормозящих блоков 4, сигналы поступают через буферные каскады б на управляемые резисторные элементы 7 с накопителем 8. На выходе каждого накопителя 8 выделяется напряжение, пропорциональное частоте следования импульсов, устанавливаюш, - ее соответственное значение сопротивление элемента 7, уменьшающее проходимость синапсов с увеличением частоты. Масштабированное таким образом импульсное напряжение с выходов блоков 3 и 4 моделирования синапсов поступает на входы аддитивного сумматора 9, где происходит их пространственно- временное суммировани Это напряжение подается на первый вход элемента 10 сравнения, где сравнивается с разностью напряжений, подаваемой по второму входу с выхода блока 11 формирования порога и третьему входу элемента 10 с выхода второго интегратора 12. В исходный момент времени это напряжение представляет собой начальные условия интегратора 12, зависящие от предыдущих активаций устройства. При частой активации порог снижается (интегратор не успевает разрядиться). При частой активации устройства напряжение на выходе ингегратора 12 возрастает и, поступая в блок 16 управления синапсами, производит уменьшение их весов управляющими напряжениями, подаваемыми через сумматоры 17 и 18 на вторые входы наконителей 8, где суммируются с имеющимися на них напряжениями.Если блоки моделирования тормозящих 19 или возбуждающих 20 рецепторов моноаминов не активизированы, т.е, напряжение на них равно и пауза после предыдущей активации достаточно велика, то работа устройства не отличается от работы известного устройства.Если на входы блока 19 моделирования тормозящих рецепторов моноаминов подаются выходные импульсы нейронов центров отрицательных эмоций, то эти импульсы подвергаются следующим преобразованиям. Снацала эти импульсы масштабируются в блоках 24 задания весовых коэффициентов и за 1464181держиваются на время диффузии амина в блоках 25 задержки (значительно превышает время синаптической задержки элементов 5), Затем они суммируют-. ся во втором сумматоре 26 и поступают на вход интегратора 27 с большой постоянной времени, на выходе которо-. го устанавливается среднее значение частоты. При превышении порога ре лейного элемента 28 происходит срабатывание триггера 21, что приводит к появлению единицы на его выходе и установке ключей в положение, показанное на фиг, 3 (ключи 29 и 30), 15 При этом сигнал единицы с релейного элемента 28 поступает также на входы элементов НЕ-И 35 и 36, что приводит к появлению единицы на выходе элемента ИЛИ 34 и замыканию третьего 20 ключа 31. Если в этот момент нейрон возбужден, т.е, генерирует импульсы,: и напряжение на выходе сумматора 9 больше нуля и превышает величину зоны нечувствительности элемента 22, 25 то на выходе последнего появляется положительное напряжение, пропорцио- . нальное выходному напряжению сумматора 9 и поступающее через ключ 31 на встречно-параллельно включенные 30 диоды 32 и 33. Так как напряжение положительное, то открывается только .один включенный в прямом направлении . диод 32 и напряжение проходит через замкнутый первый ключ 29 (Фиг, 3) на первые входы двухвходовых сумматоров 17 возбуждающих синапсов 3. Это напряжение суммируется с суммой напряжений с выхода блока 16 и напряжения накопителя 8, в связи с чем 40 еще больше уменьшает эффективность всех возбуждающих синапсов, Если нейрон гиперполяризован действием тормозящих сигналов с тормозящих входов 2 и напряжение на выходе сум матора 9 отрицательно и превышает зону нечувствительности элемента 22, то на его выходе появляется отрицательный сигнал, пропорциональный выходному напряжению сумматора 9, 50 поступающий через ключ 31 по цепи с встречно включенным диодом 33, через второй ключ 30 (фиг. 3) на первые входы с инверсией сумматоров 18, соединенных выходами с накопителями 8 тормозящих 4 синапсов. При возраста.". нии гиперполяризации нейрона (т.е. при большей активации тормозящих входов) синаптические коэффициенты передачи будут также уменьшаться,так как отрицательное управляющеенапряжение описанной обратной связичерез диод 33 инвертируется, поступая на инвертирующие входы сумматоров 18, и будет складываться с поступающими на накопитель положительными напряжениями через сумматор 18 ис выхода буферных каскадов 7. Такимобразом, если задействован отрицательный канал рецепторов аминов отрицательньм эмоций, действие аминапритормаживает нейрон, если он возбужден, и возбуждает, если он заторможен, т.е. обратные связи и в томи в другом случае являются отрицательными,Аналогичным образом осуществляется преобразование сигналов, если импульсы начинают поступать на входыблока 20 моделирования возбуждающихрецепторов моноаминов. Только в этомслучае выходной сигнал с блока 20устанавливает триггер 21 в нулевоеположение и переключает ключи 29 и 30,меняя тем самым полярность подключения диодов 32 и 33 к каналам управления синаптическнми коэффициентамиблоков моделирования возбуждающих 3и тормозящих 4 синапсов. В результате этого снижается эффективность тормозящих. синапсов, т,е. нейрон становится более возбудимым.Таким образом, моноамины, выделяемые нейронами эмоциональных центров,соответствующие положительным эмоциям, действуют на нейрон так, что,если он был возбужден, то становитсяеще более возбужденным, а если былзаторможен, то становится еще болеезаторможенным.В случае одновременной стимуляциивходов блоков 19 и 20 на выходахрелейных элементов 28 появляется напряжение логической единицы, В ре.зультате этого срабатывает логическая схема на элементах НЕ-И 35 и 36,на выходе элемента ИЛИ 34 появляетсясигнал нуля и ключ 31 приходит в разомкнутое состояние, в результатечего обратная связь размыкается.После прекращения стимуляции входов блоков 19 или 20 интеграторы 27медленно разряжаются, долго сохраняяеще уровень напряжения на выходе,достаточный для срабатывания релейных элементов 28, что моделируетпроцессы распада моноамидов послепрекращения их выцеленкя, т,е. их остаточное действие продолжающееся некоторое время,1, Устройство для.моделирования нейрона неокортекса, содержащее блоки моделирования синапсов, аддитивный 1 сумматор, блок сравнения, преобразователь напряжения в частоту, первый и второй интеграторы, формирователь выходных импульсов, формирователь порога, блок управления синапсами, причем выходы блоков моделирования синапсов соединены с входами адци. тивного сумматора, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход которого подключен к первому входу преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, выход которого является выходом устройства, второй выход преобразователя напряжения в частоту через последовательно соединенные интеграторы подключен к второму входу блока сравнения, выход первого интегратора, кроме того, подключен к второму входу преобразователя напряжения в частоту, входы блоков моделирования синапсов соединены с входами блока формирования, порога, выход которого сое" динен с третьим входом блока сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыиения достоверности моделирования деятельнссти нейрона неокортекса путем воспроизведения воздействия диффузионных процессов возбуждения по коре моноаминов на его модуляцию в него введены блоки моделирования рецегторсв моноаминов, . триггер, нелинейный элемент, блок моделирования диффузионных процессов моноаминов и двухвходовые сумматоры по числу блоков моделирования синапсов, причем выходы блоков моделирования рецепторов моноаминов соединены с соответствующими входами триггера и соответственно с первым и вто," рым входами блока моценирования диффузионных процессов моноаминов, третий вход которого соединен с выходом. триггера, выход которого также соединен с первым входом нелинейного элемента, второй вход которого соединен также с выходом адднтивного сумматора, выход нелинейного элемента 5 1464181 6соединен с четвертым входом блокамоделирования диффузионных процессовмоноаминов, первый и второй выходы5которого подключены к соответствую- Ф о р м у л аи з о б р е т е н и я щим первым входам двухвходовых сумматоров, к вторым входам которыхподключены соответствующие выходыблока управления синапсов, вход кокоторого соединен с выходом второгоинтегратора, выход двухвходовых сумматоров соединен с управляющим входом блоков моделирования синапсов,2. Устройство по и. 1, о т л и15 ч а ю щ е е с я тем, что блоки моделирования рецепторов моноаминовсодержат последовательно соединенныеблоки задания весовых коэффициентови блоки задержки второй сумматор,20,третий интегратор, релейный элемент,причем выходы блока задержки соединены с входами второго сумматора,выход которого соединен с входомтретьего интегратора, выход которого25 соединен с входом релейного элемента,выход которого является выходом блока моделирования рецегторов моноаминов.30 3. Устройство по и 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок мо делирования диффузионных процессовмоноаминов содержит три ключа, двадиода, элемент ИЛИ, два элементаНЕ-И, причем каждый неинвертирующийвход каждого элемента НЕ-И соединенс инвертирующим входом другого элемента, объединенные таким образом,входы образуют первый и второй вхо 40 ды логического блока, выходы элементов НЕ-И соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединенс управляющим входом третьего ключа,вход которого является четвертым вхо,"45 дом логического блока, выход третьего ключа соединен с анодом первогодиода, катод которого подключен квходу первого ключа, а также выходтретьего ключа соединен с катодом50,второго диода, анод которого соединен с входом второго ключа, нормально замкнутый выход первого ключа соединен с нормально разомкнутым выходом второго ключа и образует первый555 выход логического блока, нормальноразомкнутый выход первого ключа сое-,динен с нормально замкнутым выходомвторого ключа и образует второй выход логического блока.1464181 ЩАХ оставитель А.Сап А.Воров Реда Тираж 667 Подписно 53 н ГКНТ СССР Ужгород, ул. Гагарина, 1 г ин роизводственно-иэдательск акНИИПИ хред И, Ходанич Корректор Н. Король дарственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, 3-35, Рауаская наб д. 4