Устройство для моделирования нейронных структур двигательного аппарата

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК бс 7/ Е 1 ОПИНАВ Е ИЗОБРЕТСВИДЕТЕЛЬСТВУ КОМ ил,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРй 478329, кл. С Об С 7/60, 1973,Ф(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯНЕЙРОННИХ СТРУКТУР ДВИГАТЕЛЬНОГОАППАРАТА(57) Изобретение относится. к вычислительной технике й позволяет повысить точность моделирования взаимодействия нейронных структур двигательного аппарата. Устройство содержитблок 1 моделирования нейронов, соединенный с блоком 17 индикации, блоком 16 регистрации и блоком 19 коммутации. К блоку 19 подключены блок6 моделирования синапсов, блок 10моделирования мембран и блок 13 моделирования аксонов, а также выходыблока 18 задающих генераторов, другиевыходы которого соединены с входамиблока 15 моделирования механическойнагрузки, К вторым входам блока 1,5подсоединены выходы блока 14 моделирования свойств мьппц, другие входыи выходы которого соединены с соответствующими выходами и входами блока 13. Выходы блоков 14 и 15 подключены к соответствующим входам блока16 регистрации и блока 17 индикации,Блок 19 коммутации содержит блок 12переключателей, связанный с блоком13 моделирования аксонов. Входы блока 12 соединены с выходами первогонаборного поля 5, соединенного с блоком 1, Выходы блока 12 соединены свходами второго наборного поля 9,соединенного с блоком 6, Третье наборное поле 11, входящее в составблока 19, соединено с блоком 10 моделирования мембран, и наборные поля11,9 соединены с первым наборным полем 5. Выбор модели нейронной структуры осуществляется коммУтационнымишнурами наборных полей 5,9,1 1 и отражается в блоке 17. Отдельные группы моделей нейронов подключаютсячерез блоки 12 и 13 к входам блока14, на выходах которого формируютсясигналы о состоянии мьппц и скоростяхизменения. С выходов блока 18 задающих генераторов подаются тестирующиесигналы для исследования реакции отдельных элементов структуры. Характер импульсной активности моделейнейронов и состояние моделей мышцтакже отображаются в блоках 17 и 16.Изобретение относится к вычисли- . тельной технике и может быть использовано для изучения взаимодействия нейронных структур путем моделирова;т ния.Цель изобретения - повышение точности моделирования взаимодействия нейронных структур двигательного аппарата, 1 ОНа фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - функциональная схема блока молелирования свойств мышц; на фиг.3 . функциональная схема блока моделиро вания механической нагрузки.Устройство для моделирования нейронных структур (фиг.1) содержит блок 1 моделирования нейронов, в котором каждый аналог нервной клетки 2 О состоит иэ преобразователя 2 аналогового напряжения в импульсный поток, к входам которого подключены сумматоры 3 один непосредственно а другой - через инвертор 4, Выходы преоб раэователей 2 являются выходами блока 1 моделирования нейронов.и подклю"чены к выходам первого наборного поля 5,первые и вторые входы которого подключены к входам соответствующих сум маторов 3 аналогов нейронов, являющихся входами блока 1 моделирования нейэонов, Блок б моделирования синапсов состоит иэ цепочек последовательносоединенных схемы 7 временного суммирования и электронного ключа 8 авходы и выходы цепочек соединены свходами и выходами второго наборногополя 9, Выходы блока 10 моделированиямембран соединены с выходами третье Ого наборного поля 11, которые подключены к входам первого наборного поля5, к которым подключены также выхсдывторого наборного поля 9, часть которых соелицена с входами собственного 45наборного поля , к другим входам которого подключены выходы первого наборного поля 5. Блок 12 переключателей через свои первые входы и выходы.и первые входы и выходы блока 13 моделирования аксонов связывает выходы первого наборного поля 5 с первы- . ми входами блока 14 моделирования свойства мьпчц и их рецепторных образований, первые выходы которого через вторые входы и выходы блока 13 моделирования аксонов и вторые входы и выходы блока 12 переключателей соединены с входами второго наборного иоля 9, а вторые входы и выходы блока4 моделирования свойств мышц соединейы через выходы и первые входы блока15 моделирования механической нагрузки, Все входы и выходы блока 14 моделирования свойств мышц соединены свходами блока 16 регистрации и с входами блока 17 индикации, к которымподключены третьи выходы блока 12переключателей, к третьим входам которого подключены первые выходы блока 18 задающих генераторов, вторыевыходы которого подключены к вторымвходам блока 15 моделирования механической нагрузки, а выходы преобразователей 2 также подключены к входам блока 17 индикации, Наборные поля 5,9,11 и блок 12 переключателейобразуют блок 19 коммутации,Блоки 1,6 и 10 моделирования нейронов, моделирования синапсов и моделирования мембран нервных клеток соответственно содержат отдельные структурно-функциональные элементы моделинейрона, которые конструктивно и пространственно разделены в предлагаемом устройстве для моделирования нейронных структур системы управлениядвижением, а их входы и выходы выведены на соответствующие наборные поля,Блок 12 переключателей выполненкак набор тумблеров и переключателей,с помощью которых осуществляется от-.ключение или подключение отдельныхэлементов структуры в процессе ис -следования или замыкание и размыканиекаких-либо связей структуры,Блок 13 моделирования аксонов выполнен иэ отдельных цепочек последовательно соединенных формирователейимпульсов, в каждой из которых осуществляется задержка генерации импульсана выходе по отношению к моменту активации входа.лок 14 моделирования свойствмышц и их рецепторных образованийсодержит аналоги мьппцы, например модели мьппцы, первые входы и выходыкоторых представляют собой импульс-:ные входы и выходы, а вторые входыи выходы являются аналоговыми, напряжения на которых интерпретируютсясоответственно в терминах длины исилымышцы,1Блок 15 моделирования механической нагрузки моделирует свойствавнешней среды и воспроизводит пара-, 1585809метры подвижных звеньев конечности,положением которых управляют сокращающиеся и развивающие силу под действием импульсаиии на первых входахблока 14 различные мышечные группы,Блок 1 б регистрации включает осциллографы для наблюдения и регистрации на кино- или Фотопленку импульсных потоков и аналоговых сигналов, устройства преобразования икодирования межимпульсных интервалов и аналоговых напряжений для последующей обработки на ЭВМ с возможным 15выводом информации о результатах экспериментов на цифропечать и графопостроители,Блок 17 индикации включает информационное табло с расположенными нанем в определенном порядке светодиодами, включение которых осуществляется через согласующие схемы самимисигналами, которые поступают в видеимпульсных потоков от нейронной струк туры и в виде аналоговых напряжений,соответствующих изменению состоянийобъекта управления и аналогов мышц.Блок 18 задающих генераторов содержит генераторы импульсов и генераторы аналоговых сигналов различной,формы, например линейно-изменяющегосянапряжения или напряжения прямоугольной формы, а также сигналов трапецеидальной Формы, 35Кроме укаэанных связей устройствак регистрирующей аппаратуре для наблюдения и анализа сигналов могут бытьподключены любые другие точки нейронной структуры и моделей мьппцы, 40изменение напряжений в которых необходимо исследовать для изучения закономерностей передачи информации ихарактера ее преобразования, определяемых функционированием целостной 45структуры исследуемой системы, аименно ее модели.На Фиг,2 представлена схема блока14 моделирования свойств мьппц и ихрецепторных образований, Собственно 50модель мьппцы представлена на чертеже отдельным Функциональным блоком20, имеющим вход 21 импульсных сигналов, вход 22 аналогового сигнала"Длина мышцы" и выход 23 "Сила", развиваемая мьппечным волокном, К мьппечным рецепторам растяжения относятся сухожильные органы Гольджи и веретена - сложные структурные образования,имеющие в своем составе сократимыеструктуры - интрафузальные мышечныеволокна, Свойства сухожильного органа Гольджи моделируются блоком 24, вкотором передаточными характеристи-,ками пропорционально-дифференцирующего звена 25 моделируются упруговязкие свойства капсулы сухожильногооргана, а на преобразователе 26 аналогового напряжения в импульсньпс поток воспроизводятся характеристикипреобразования рецепторного потенциала в распространяющиеся по аксонам афферентного нейрона импульсы,несущие в нервную систему информацию о напряжениях, возникающих в мьппцах, Свойства мынечного веретена мо-делируются блоком 27, в состав которого входят модель мьшщы 20,а свойства рецепторных образований вере- .тена моделируются пропорциональнодифференцирующими звеньями 28 н 29и подключенными к ним преобразователями 30 и 31, являющимися соответственно аналогами преобразования рецепторных потенциалов первичных ивторичных окончаний в импульсные потоки в афферентных волокнах Ха и 11.групп. Выходы 32 всех рецепторныхобразований являются первыми выходами блока 14 моделирования свойствмьшпц и их рецепторных образований.В блоке 14 содержится несколько аналогов мышц и их рецепторных образований, которые через входы и выходыбока 15 моделирования механическойнагрузки соединяются в группы, имитирующие работу мьппц синергистов иантагонистов подвижных звеньев конечностей, В этом случае входы 22 ивыходы 23 являются вторыми входами ивыходами блока 14,На фиг.3 представлена схема блока 15 моделирования механической нагрузки, в основе которого лежит схемаблока моделирования механическихсвойств внешней среды, Объект управления осуществляет преобразованиесил, развиваемых мьппцами, в ускорение, сообщаемое подвижному звену,которое сравнивается с заданным ускорением силы тяжести, Разность ускорений в результате двойного интегрирования преобразуется последовательно в скорость и изменение длинымьппцы, которое определяет положениеподвюкных зеньев, к которым прикреплены эти мышцы. В отличие от указан-.ного в модели мышцы блок 15 моделирования механической нагрузки содержит сумматор 33, к входам которого подкл 1 очень 1 выходы 23 аналогов мьппц 5 антагонистов, которые осуществляют сгибание конечностей в суставах. Выход этого сумматора подключен к вхо,ду сумматора 34, к другим входам которого подключены выходы 23 аналогов мышц-антагонистов, осуществляющих разгибание подвижных звеньев конечностей в суставах. Далее выход сумматора 34 подключен к усилителю 35, значение сопротивления переменного резис 15 тора 36 на входе которого соответст, вует массе грузов, которые могут "Поднимать" мьппцы, Выход усилителя 35 подключен к первому входу интегратора 37, к второму входу которого через резистор подключен выход делителя 38, напряжение на котором соответствует значению выбираемой силы тяжести. Выход интегратора 37 подкгдочен к входу, второго интегратора 39, 25 выход которого через переключатель 40 соединен с входом инвертора 41. Вход 42 соединен с вторым выходом блока 18 задающих генераторов, а выходы 43 и 44 являются выходами блока 15 моделировайия механической нагрузки, которые соединены с вторыми входами 22 блока 14 моделирования свойств мьппц и их рецепторных образований Кроме того выход интеграФ35 тора 39 соединен с входом нуль-органа 45, к второму вхоцу которого подключен делитель 4 б, напряжение на выходе которого соответствует устанавливаемой длине ограничения растяжения мьппц (ограничение в суставе), а выход нуль-органа 45 через диод соединен с обмоткой реле 47, контакты 48 которого через второй диод включены в цепь обратной связи интегратора 37 параллельно конденсатору.Устройство для моделирования нейронных структур системы управления ,движением работает следующим образом.После включения питания отдельных блоков. на блоке 17 индикации светодиодами отражается состояние отдельных элементов блоков 1 и 14: светодиоды отражают характер импульсной активности нейронов, светящиеся стол-. бики и площадки характеризуют длину отдельных мышц, развиваемое ими на- пряжение, величину воздействующих на подвижные звенья конечности грузов. Включается необходимая для исследования регистрирующая и,обрабатывающаяаппаратура, Коммутационными шнурамина наборных полях 5,9 и 11 осуществляется набор необходимой организации,входов нейронов, свойств мембран, определяющих размер моделируемой клетки, и связи между нейронами, соответствующие исследуемой нейронной структуре, Структура набираемых связей отражается в блоке 17 индикации, кото-,рый помогает визуально контролироватьи оценивать в целом работу многопараметрической системы, Отдельные группынейронов через блок 12 переключателей и блок 13 моделирования аксоновподключаются к входам 21 блока 14моделирования свойств мьппц, выходы32 которого подключаются через блок13 моделирования аксонов и блок 12переключателей к входам нейронов, неся информацию в виде импульсных потоков о состоянии периферического звена (напряжениях и длинах мьппц и скоростях их изменения) - объекта управления для нервной системы. С помошью блока 18 задающих генераторовна отдельные элементы нейронной структуры или на импульсные. входы аналоговмьппц от генераторов импульсов черезблок 12 переключателей могут подаваться тестирующие посылки для исследования реакции отдельных элементовструктуры, Моделям мьппц, кроме воспроизведения различных режимов их рабо гты изменением массы грузов (переменньп резистор Зб) или изменением уско-,.рения силы тяжести (делитель 38 напряжения), можно задавать изменениеих длины программно от генераторааналоговых напряжений при установкепереключателя 40 в соответствующееположение, когда подключается второйвход в блоке 15 моделирования механической нагрузки. Такой режим необходим, например, для воспроизведения на устройстве условий нейрофизиологических экспериментов по исследованию активности мьппечных рецепторов растяжения, чтобы показать адекватность поведения отдельных элементов или звеньев структуры и затемперейти к изучению из взаимодействияв целостной сети,Выделение отдельных узлов аналоговнейронов в самостоятельные функциональные блоки коренным образом изменяет возможности экспериментирования на искусственных нейронных сетях, позволяя перейти к изучению механизмов переработки информации в структурах, максимально приближенных к реальным.5Формула изобретения1 ОУстройство для моделирования нейронных структур двигательного аппарата, содержащее блок моделирования нЕйронов, первые выходы которого подключены к первым входам блоков инди кации, регистрации и коммутации, входы блока моделирования нейронов через блок коммутации соединены с выходами блоков моделирования синапсов;а вторые входы блока коммутации соединены с пер выми выходами блока задающих генераторов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности .моделирования взаимодействия нейронных структур двигательного аппарата, 25 устройство содержит блоки моделирования мембран, выходы которых через блок коммутации подключены к соответствующим входам блока моделирования нейронов, вторые выходы блока задающих генераторов соединены с первыми входами блока моделирования механической нагрузки, выходы которого соединены с вторымИ -входаии блока индикации, блока регистрации и первым входом блока моделирования свойств мьппц, второй вход блока моделирования механической нагрузки соединен с первым выходом блока моделирования свойств мьппц и третьими входами блоков индикации и регистрации, вторые входы и вторые выходы блока моделирования свойств мьппц соединены соответственно с четвертыми и пятыми входами блока индикации и блока регистрации и через блок моделирования аксонов - с выходами блока коммутации, первый выход которого соединен с шестыми входами блока индикации и блока регистрации, причем блок коммутации содержит блок переключателей, первые входы и выходы которого образуют выводы подключения блока моделирования аксонов, вторые входы соединены с первыми выходами первого наборного поля, первые входы которого образуют первые входы блока коммутации, вторые и третьи выходы образуют выходы подключения блока моделирования нейронов, дополнительные выводы связаны с дополнительными выводами второго и третьего наборных полей, первые входы и выходы второго наборного поля образуют выводы подключения блока моделирования синапсов, а вторые входы второго наборного поля соединены с вторыми выходами блока переключателей, входы третьего наборного поля образуют вы.- воды подключения блока моделирования мембран,Яф1585809 Составитель А.ВасильевТехред А,Кравчук ектор С,ШевкуЛисин едактор аказ 2328 одписное Производственно-издательски омбинат "Патент Ужго ул. Гагарина, 101 Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж; Раушская наб.; д. 4/5