Устройство для моделирования адаптивного нейроно-глиального комплекса

аам пэааретавврв аткрытвв О 72) Авторы изобретения. Рыбак остовский ордна Трудового Красного Знам .государственный университет Заявитель( Г 4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АДАПТИВНОГО НЕ ЙРОНО-ГЛИАЛ ЬНОГО КОМПЛЕКСА вано вннформа Неучет выще опясанныльного элемента нервной войств рестемы сниности сяст ункцьональные воз 1Изобретение относится к устройствам для моделирования элементов нервной системы и может быть использонейрокибернетнке, в адаптивныхаВ нионно-управляющих спстеме х,Известно устройство для моделирования адаптивного нейрона, содержащее регулируемый источник энергии, функциональный преобразователь, блок про"транственно-временного суммирования, каналы тормозящего сигнала, каналы возбуждающего сигнала, каналы оптимизируемого сигнала и блок управления коэффициентами чувствительности 1.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройстве для моделирования нейрона, содержащее последовательно соединенные блок сравнения, преобразователь напряжения в частоту, первый н второй ннтегра- торы, блок управления синапсом, форми-рователь выходных импульсов, блоки моделирозания синапса, сумматор, формирователь порога и источник питания 2. Недостатком устройства является неполнота моделирования свойств реального нейрона, в частности известные устройства не учитывают роль глнальных клеток, функционально связл;тных с нейронами, осуществляющих в нейрон поток богатых энергией метабо:итов, поддерживающнх нейрон в соответствующем энергетическ.м состоянни, отсюда не у итывзются пластические перестг,ойки и изменение фунхцнонал чого состояния самого нейро.ч н комплекса нейрон-глияв зависимости от гуморального воздействия среды.Кроме того, описанные устройства не воспроизводят апе.иоцнческие процес сь;, протекающие в синапсах, связанные с выделением и транспортом передатчиков в сннаптнческой щели реального нейрона.Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования адаптивного нейроно-глиального комплекса, содержащее блоки моделирования сйнапса, выходы которых подключены к группе входов блока пространственно-временного суммирования, формирователь порога, формирователь выходных импульсов, выход которого является выходом устройства, введены управляемый генератор импульсов, ключ, апериодическое звено, блок задания начальных синаптических весов и блок моделирования глиального 26 элемента, первый выход которого через апериодическое звено подключен к первому входу ключа, выход которого соединен со входом формирователя выходных импульсов, выход формирователя порога25 подключен ко входу блока пространственно-временного суммирования, выход которого соединен со входом управляемого генсратора импульсов, выход которого подключен ко второму входу ключа, вто- ЗО рой выход блока моделирования глиального элемента соединен с первыми входамИ блоков моделирования синапса, вторые входы которых являются группой входов устройства, выход формирователя выходных импульсов подключен к первому входу блока моделирования глиального элемента, второй вход которого является входом устройства, выход блока задания начальных синаптических .весов соединен с третьими входами блоков моделирования синапса, А также тем, что блок моделирования синапса содержит ключевые элементы, интегратор и апериодическое звено, выход которого является выходом блока моделировщий сйнапса, выход первого ключевого элемента подключен к первому входу интегратора, второй вход которого является третьим входом блока моделирования синапса, выход интеграто 5 ра соединен с первым входом второго ключевого элемента, выход которого подключен ко входу апериодического звена, первый вход первого ключевого элемента является первым входом блока моделирования сиианса, вторым входом которого являются вторые входы ключевых элементовА также тем, что блок моделирования глиального элемента содержит преобразо 3тем, построенных из устройств, модели рующих эти элементы.Цель изобретения - увеличение,точности моделирования реальных элементов нервной системы и расширение функциональных возможностей устройств для их моделирования,773649 фватель частоты в напряжение, апериодическое звено, дифференциальный усилитель,элементы И-НЕ и элементы НЕ, инверсные выходы первого и второго из которыхподключены ко входам первого элементаИ-НЕ, инверсный выход которого соединен с первым входом второго элементаИ-НЕ, инверсный выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко входу третьегоэлемента НЕ соответственно, инверсныйвыход третьего элемента НЕ соединенс инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого являетсявторым выходом блока моделированияглиального элемента, выход преобразователя частоты в напряжение подключенко входу первого элемента НЕ и к первому входу третьего элемента И-НЕ соответственно, выход которого соединенсо вторым входом второго элементаИ-НЕ, вход преобразователя частоты внапряжение является первым входом блокамоделирования глиальнаго элемента, вторым входом которого являются вход второго элемента НЕ и второй вход третьего элемента И-НЕ,На чертеже представлена функциональная схема устройства для моделированияадаптивного нейроно-глиального комплекса.Входные сигналы 1 поступают на блоки 2 моделирования синапса, которыйсодержит последовательно соединенныепервый ключевой элемент 3, интегратор4, второй ключевой элемент 5 и апериодическое звено 6. Интегратор 4,является элементом памяти устройства, Первоначально на нем устанавливается исходное значение синаптического веса от блока 7 задания начальных синаптическихвесов. Каждый приходящий входной импульс открывает ключевой элемент 5 исигнал с интегратора 4 через апериодическое звено 6 поступает на выход блока 2. Одновременно входной сигнал от.крывает ключевой элемент 3 и на интегратор 4 поступает регулирующий сигнал,изменяющий синаптический вес элемента.Интегратор 4 интегрирует свои входныесигналы в пределах наложенных ограничений, таким образом, имеются максимальное и минимальное значение синаптического веса. Возбуждающие и тормозные блоки моделирования синапса отличаются только знаком первоначально установленного от блока 7,Все блоки 2 моделирования синапсасвоими выходами подсоединены к входам49 6 5 7736блока 8 пространственно-временного суммирования нейронного элемента 9. Кромеблока 8 пространтвенно-временного суммирования нейронный элемент 9 содержитформирователь 10 порога, управляемыйгенератор 11 импульсов, ключ 12, апериодическое звено 13 и формирователь14 выкодных импульсов. В формирователе порога 10 устанавливается значениепорога нейронного элемента. В блоке 8 . 0пространственно-временного суммированиясумма прихоцящих синаптических сигналовсравнивается с значением порога, и припревышении последнего на выходе блока8 пространственно-временного суммиро бвания проявляется потенциал, поступающий на вход управляемого генератора 11импульсов, который генерирует импульсы .с частотой, пропорциональной входномусигналу, выход апериодического звена 13, щвыполняющий функции блока преобразования энергии через ключ 12, подключен квкоду формирователя 14 выходных импульсов, выход которого является выходом 15 всего устройства Выхоцной сигнал нейронного элемента поступает наблок 16 моделирования глиального эле мента, который содержит блок 17преобразования частоты в напряжение,блок 18 источника метаболитов, выпол- Зоненный в вице апериодического звена,дифференциальный усилитель 19 и логический блок 20. Сигнал с выхода нейронного элемента 9 поступает на входблока 17 преобразования частоты в напряжение . Сигнал с выхоца блока 17поступает на один из входов логического блока 20. Напряжение 21, иммитирующее гуморапьное воздействие среды, поступает на второй вход логического блока 20 и на вход 18 источника метаболитов. Логический блок 20, на вход которого поступает напряжение 21; имитирующее гуморальное воздействие среды инапряжение с выхоца блока 17 преобра зования частоты в напряжение, состоит из трех элементов, выполняющих логическую функцию НЕ и трех элементов, выполняющих логическую функцию И-НЕ. Оба входных сигнала поступают на входы. третьего элемента И-НЕ 22 и через первый 23 и второй 24 элементы НЕ на входы первого элемента И-НЕ 25. Выходы первого и третьего элементов И-НЕ поступают на входы второго элемента И-НЕ 26. Выход второго элемента И НЕ 26 является первым выходом логического блока 20, на котором реализуетсяотносительно ее вхоцнык сигналов, логическая функция эквивалентность, и соециняется с неинвертирующим входом пифференциального усилителя 19. Кроме то-го, сигнал с выхоца второго элементаИ-НЕ поступает на третий элемент НЕ27, выкод которого является вторымвыходом логического блока 20 и реализует относительно ее входных сигналовлогическую функцию сложение по щос 12"Сигнал с выкода третьего элемента НЕ 27 поступает на инвертирующий входдифференциального усилителя 19. Сигналс выхода 28 дифференциального усилителя 19 поступает на блоки 2, изменяявеса тек синаптических элементов, на которые прикодит входной сигнал 1. Существенно, что согласно схеме на выкоце дифференциального усилителя 18 появляетсяположительный потенциал, увеличивающийвеса связей возбуждающих синаптическикэлементов и уменьшающий веса связейтормозных синаптических элементов только, когда "активность" нейронного элемента совпацает с поступлением напряжения 21, имитирующего гуморальное воздействие среды, и когда "молчание совпадает с отсутствием напряжения 21.Наоборот, на выходе. дифференциальногоусилителя 19 появляется отрицательныйпотенциал уменьшающий веса связей возбуждающих синаптических элементов и увеличивающий веса связей тормознык синаптических элементов только, когда"активность" нейронного элемента совпадает с отсутствием напряжения 21, икогца "молчание" нейрона совпадает споступлением напряжения 21. Таким образом, устройство будет всегда стремиться изменить свою реакцию на поступающие входные сигналы за счет изменения синаптических весов, если зта реакция не подкрепляется напряжением, имитирующим гуморалЬное воздействие срецы и стремится закрепить свою реакцию, если она им поцкрепляется.Реализация в устройстве цля моделирования нейроно-глиального комплекса такик свойств реальных биологических объектов, как свойства глиальнык клеток, позволяет обеспечить нейроны потоками богатых энергией метаболитов и осуществлять пластические перестройки синаптическик весов нейронов в зависимости от его активности и приходящего на комплекс нейрон - глия гуморального воздействия среды, а также моделирование процессов, связанных с выделением и транспортом передатчика в синаптическойщели, и расширяет функциональные.возмоиости систем, построенных с применением устройств, моделирующих элементы нервной системы,5Формула изоГретения1. Устройство для моделированияадаптивного чейронс-глиального комплекса, содержащее блоки моделирования синапса, Выходы кОторых подключ 8 ны кгруппе входов блока пространственновременного с "ммирования, формировательПорога, формирователь выходных импульсов, выходоторого является Выходом уустройства, о т л и ч а ю ш е е с ятем что с целью повьпдения точностимоделирования и расширения функциональт:ых возможностей за счет учета пластических перестроек синаптических Весов, 2 Ов НОГО Введены упраВляемый Генер-ТОримпульсов, ключ, апериодинеское звено,блок задания начальных синаптическихвесов и блок моделирования глпад - ,ногоэвъмента первый выход которого чер 8 зЬ. 8 РИОДИЧЕСКОЕ ЗВЕНО ПОДКЛЮЧЕН К ПЕРвому входу ключа, выход которого соединен сс входом формирователя .зыхо:цых импульсоь, Ры-.од формирователя поООГа поцключ 8 н КО входу Ол ока простран ЗОствеапо ВременнОГО суммирования, Выходкоторого еоединеч со входом управляемого Генераторы импульсоввыход котдрого подключен ко второму входу ключа.,второй Выход блока моделирования глиального элемента соединен с первыми Входами блоков моделирования синапса, вторы 8 Входы которых являются Группойвходов устройства, выход формирователяВЫХОДНЫХ ИМПУЛБСОВ ПОДКЛЮЧЕН К П 8 РВО Цму Входу блОка модэлирования ГлиальнОго элементавтопой вх".д которого являетсЯ ВходОМ устройства Выход блока задания начальных синаптических весов соединен с третьими входами блока моделирОВания синапса,2, Устройство по и, 1, .о т л и ч аю ш е е с я тем, что блок моделирования синапса ссдержит кл 1 очевые элементы,инт 8 ГОатор и апериодическс 8 звено, ВЪ 1- я ход которого является выходом блока моделирования синапса, выход первого ключевого элемента подключен к первому входу интегратора, второй вход которого является третьим входом блока моделирования синапса, выход интегратора соединен с первым входом второго ключевого элемента, Выход которого подключен ко входу апериодического звена, первый вход первого ключевого элемента является первым Входом блока моделирования синапса, втсрым входом которого являются Вторые входы ключевых элементов,3. Устройство по п. 1, о т л и ч а - ю ш 8 е с я тем, что блок моделирования глиальногс элемента содержит пре образователь частоты в напряжение, апериодическое звано, дифференциал,ный усилитель, элементы И-НР и элементы НЕ, инверсные выходы первсго и второго из которых поцключены ко вхочам первого элемента И-НЕ, инверсный выход которого соединен " первым входом второго элемента И-НЕ, инверсный выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, и ко входу третьего элемента НЕ соотВетстгенно, инверсный выход третьего элемента НЕ соединен с инвертируюшим водом дифференциального усилителя,. выход которого яв яется вторым Выходом блока моделирования глиального лемента, выход преобразователя частоты в напряжение подключен кь Входу первого элемента НЕ и к первому входу третье- ГО эле: 1 ента И-НЕ соответствено, выход которого соединен со вторым входсвторого элемента И-НЕ, вход преобразовРтеля частоты в напряжение является первым входом блока к:оделирования глиального элемента, вторь:м вхсдом которого явля;отся Вход второго элемента НЕ и второй вход третьего элемента И-НЕ,Источники информации принятые Во вниманче при экспертизе 1, Авторское сзидетельство СССР М 565206, кл. Ь 067/60, 1975.2. Авторское свидетельство СССРМ 512478, кл, Я 06 Я 7/60, 1974про.отип) .773649 Тираж 751 ПИ Государственного по делам изобретений Москва, Ж, Раушс 75 08/6 ВНПодписно комитета СССР и открытий кая наб., д. 4/5