Устройство для моделирования нейронных ансамблей

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 7/60 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НО ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕН ТЕТ СССРИ ОТКРЫТИЙ я) ПИ ИЕ ИЗОБРЕТЕОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ВТОРСН во СССР1980 гру к и вхо(71) Львовский государственный медицинский институт(56) 1. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2855486/24,кл. 6 06 6 7/60, 1980.2.Автбрское свидетельстР 903910, кл. 6 06 б 7/60,(прототип ).3. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2873913/24,кл. б 06 б 7/60, 1980.(54)(57 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОННЫХ АНСАМБЛЕЙ, содержащееблок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов,и блок ввода, выходы которого соединены с первой группой информационных входов первого коммутатора,выходы которого подключены к соответствующим входам нейроноподобныхэлементов, выходы которых соединеныс первой группой входов блока регистрации, о т л и ч а ю ц е е с ятем, что, с целью увеличения точ"ности моделирования за счет возможности образования псевдослучайныхсвязей, в него введены второй, третий и четвертый коммутаторы, блокиндикации и блок сумматоров, выходыкоторого подключены к второй груп-,пе входов блока регистрации, выходы нейроноподобных элементов соответственно соединены с входамиблока сумматоров и информационнымивходами .второго коммутатора, перваяппа выходов которого подключенаервой группе информационныхдов третьего коммутатора, выходы которого соединены с второйгруппой информационных входов первого коммутатора, вторая группавыходов второго коммутатора подключена к информационным входам чет"вертого коммутатора, первая группавыходов которого соединена с второйгруппой информационных входовтретьего коммутатора, вторая группаинформационных входов четвертогокоммутатора подключена к входамблока индикации, 1064285Изобретение относится к моделированию самоорганизующихся процессов в центральной нервной системеи предназначено для теоретическихисследований в области самоорганизации нейронных сетей, в частностидля проверки гипотезы о возможностисамоорганизации некоторого конечногомножества псевдослучайных процессовв сложный, но предсказуемый в общих чертах процесс,Предполагается, что при множестве й элементарных процессов (вариабильности активности нейронных элементов, входящих в сеть ) создаетсямножество М процессов промежуточнойсложности 1 случайные и псевдослучайные соединения нейронов в сеть ), которые дают множество конечных процессов о, при этом должно бытьсоотношение И ( М ) и , т.е. одинкакой-то конечный о; результат,входящий в множество н , можетвключать в себя один из несколькихвозможных промежуточных процессов,Если это так, то процесс самоорганизации можно рассматривать какпроцесс неизбежный или во всякомслучае процесс, наступающий с большой вероятностью. В этом случаемоделирование систем искусственногоинтеллекта должно развиваться по 30пути создания условий для самоорганизации искусственных нейронныхсетей без жесткого их моделирования.В противоположном случае, еслии 7, М, представляется необходимость моделировать все промежуточные этапы переработки информации,причем соединения в таких сетях будут носить определенный жесткийхарактер. Однозначно ответить на эти 40вопросы пока нельзя, и так каксложность моделирования таких процессов лежит за пределами возможностей математического аппарата и ЭВМ,представляется рациональным создание специальных физических моделей,структура которых позволяет проводить моделирование и получить иско-.мый ответ. Устройство, кроме того, может найти применение как перестраиваемый генератор набора множеств псевдослучайных. дискретных величин, который может быть использован в качестве устройства, моделирующего внеш ние возмущающие воздействия на адапативные системы, в частности модели нейронных сетей, для изучения процессов адаптации, их прочности и пластичности в условиях, максималь но приближающихся к реальным.Устройство может также найти применение в психологических экспериментах для создания игровых ситуаций, решение которых требует не только 5 логического, но также и интуитивного мышления.Известно устройство, содержащее сеть нейронных элементов, ритмы вы" ходной последовательности которой представляют собой интеграцию ритмов входящих в сеть нейронных элементов 1 3.Недостатком указанного устройстваявляется детерминации конечной периодичности ритмов.Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для моделирования нейронных ансамблей, содержащееблок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, и блок ввода, выходы которого соединены с первой группой информационных входов первого коммутатора, вы" ходы которого подключены к соответ" ствующим входам нейтроноподобныхэлементов, выходы которых соединены с первой группой входов блока регистрации, Кроме того, устройство содержит распределитель, наборное поле, генератор и дешифратор связи 2 .Недостатком известного устройстваявляется деформированность сети, что снижает функциональные возможности моделируемого нейронного ансамбля.Цель изобретения - увеличение точности моделирования за счет возможности образования псевдослучайных связей в ходе функционирования сети.Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, иблок ввода, выходы которого соединены с первой группой информационных входов первого коммутатора, выходы которого подключены к соответствующим входам нейроподобных элементов, выходы которых соединены с первой группой входов блока регистрации, введены второй, третий и четвертый коммутаторы, блок индикации и блок сумматоров, выходы которого подключены к второй группе входов блока регистрации, выходы нейроподобных элементов соответственно соединены с входами блока сумматоров и с информационными входами второго коммутатора, первая группа выходов которого подключена к первой группе информационных входов третьего коммутатора, выходы которого соединены с второй группой информационных входов первого, коммутатора, вторая группа выходов второго ком" мутатора подключена к информацион" ным входам четвертого комммутатора, первая группа выходов которого соединена с второй группой информационных входов третьего коммутатора,вторая группа информационных вхо1064285дов четвертого коммутатора подключе- индикации - это набор свена к входам блока индикации.На фиг. 1 приведена структурнаясхема устройства для моделирования лируемых ист чнисточников напряжения. нейронных ансамблей; на фиг, 2 - Блок 9 суммсумматоров (фиг. 5 ) содерфункциональная схема нейроноподоб жит сумматоры 26 и ключи 27 ручного ного элемента; на фиг. 3 - струк- управления.турная схема четвертого коммутатораРУстройство рабво ра отает следующим на фиг. 4 - функциональная схема образом.одной ячейки четвертого коммутатора В отличие отие от известных устройств, на фиг. 5 - функциональная схема (О моделирующих нейронные ансамбли блока сумматоров, в которых принципиально прослеживается зависимость выходных сигналовустройство для моделирования ней- от сигналов на входах предлагаемо ронных ансамблей (фиг. 1) содержит устройство построено на принципе, блок 1 моделирования нейронов, сос заключающимся в большой степени нетоящий из нейроноподобных элементов2, первого, второго, третьего ичетвертого коммутаторов 3-6, блок 7 связей, при этом степень неопредеиндикации, блок 8 вво ао 8 ввода, блок 9 сум- ленности может регулироваться путем маторов и блок 10 егист а ии.регистрации. . произвол ного распределения черезВ качестве нейроноподобного элеРоноподобного эле-коммутатор 4 выходов нейронных элемента 2 в устройстве использована ментов между входами коммутаторов5 и б. Максимум неопределенностиНейроноподобный элемент 2элемент 2 (фиг. ) достигается путем подключения всех содержит источник 11 постоянногонапряжения, выходы которого подклю- татора б, минимумтатора , минимум - путем исключения коммутатора из работы. В связи тора 12, второго сумматора 13, пер- с этим устройство может работать в вого управляемого интегратора 14 нескольких режимах: в режиме простой и второго управляемого интегратора генерации псевдослучайн х 15 пе вый и всевдослуча ных последопервый 16 и второй 17 блоки срав- вательностей на выходах элементов кения, ключ 18 и элемент 19 задерж- . 2 при исключении коммутатора б из ки. Входы сумматоров 12 и 13 и уп- работы, в режиме образования случайравляемых интеграторов 14 и 15, . ных коммутаций с возрастанием не н п яне подключенные к выходу источника определенности последовател стейьнонапряжения служат информационными 35 на выходах элементов 2, при этом входами и через коммутаторы 3-6 возможно образование некоторого ( фиг. 1 ) подключены к выходам дру- множества подобных режимов, отлича.гих элементов 2. ющихся друг от друга степенью неопКоммутаторы 3-5 в простейшем слу- ределенности (степенью участия в рачае представляют ручные переключа О боте коммутатора б ); в режимах актели. тивного воздействия на работу устКоммутатор б (фиг. 3) содержит ройства путем включения в работуячеек 20 о0 коммутации (фиг, 4), блока 8. При включении в. работу блокаждая из которых содержит схему ка 8 (при участии человека или 21 с авнения вхо ыР д которой также 45 группы людей) возможны различные произвольно через коммутатор 4 под- игровые ситуации (психофизические ключены к выходам соответственно эксперименты ) за ача котоада а которых заклюкаких-то двух нейроноподобных чается в уменьшении неопределенносэлементов 2. Выход схемы 21 сравне- ти работы устройства путем активния через первый диодный элемент 22подключен к п авляю им вх - .50у Р ющим входам пер- В основе работы устройства лежит вой г ппы ключей 24РУ 4, входы которых . работа модели пейсмекерного нейрона подключены произвольно через коммУ блока 1 (фиг. 1 и). татор 3 к выходам нейроноподобных Пейсмекерный нейронный элемент элементов 2 блока 1. Выход каждого работает следующим образом. ключа 24 подключен к соответствую" 55 С источника. 11 на первые входы щему входу блока 7 и входу коммута- сумматоров 12 и 13 и на первые вхотора 5. Через коммутаторы 5 и 3 ды управляемых интеграторов 14 и 15 выход ключа 24 может подключаться поступает напряжение. Напряжение произвольно к входам элементов 2 Оо источника 11 определяет напряблока 1. Через второй диодный эле" 60 жение О:а 0 выхода сумматора 12 мент 23 выход схемы сравнения подклю- и О = Ь О - напряжение выхо а сумчен к управляющим входам второй, матора 13, где а и Ъ - соответствен- .2- о хода сумвгруппы ключей 25, соединение которых но веса первых входов сумматороустройстве аналогично соединению 12 и 13. Напряжение с выхода суммав65 тора 12 через ключ 18, нормальноеположение которого открытое, поступает на первый вход блока 16 сравнения и определяет пороговое напряжение О СО, где С - вес второгохода блока 16 сравнения. В управляемом интеграторе 14 происходит интегрирование напряжения по времени где -- постоянная интегратораР С14 по данному входу.В момент, когда напряжение на вы ходе интегратора 14, учитывая вес первого входа блока 16 сравнения, сравняется с пороговым напряжением на выходе блока сравнения, образуется напряжение, которое открывает доступ напряжения интегратора 14 на выход нейтронного элемента и одновременно поступает на управляющий вход ключа 18 и закрывает его на первый управляющий вход управляемого интегратора 14, вследствие чего в последнем запоминается мгновенное значение напряжения в момент достижения им порогового значения, а порог элемента 2 вследствие закрытия ключа 18 принимает нулевое значение. Зо Смысл нулевого значения порогового напряжения заключается в том, чтобы меняющееся напряжение на входах сумматора 12 не влияло на величину пейсмекерного потенциала во время 35 его генерацииВремя существования пейсмекерного потенциала определяется работой управляемого интегратора 14 и напряжением на выходе сумматора 13. Напряжение с выхода ин О тегратора 14 через элемент 19 задерж-, ки поступает на управляющий вход интегратора 1 и включает его в работу. В интеграторе 15 напряжение, поступающее на его первый вход, интегрируется во времени и поступает на первый вход второго блока 17 сравнения, В момент, когда это напряжение. сравняется с напряжением первого входа. блока 17 сравнения (учитывая соотношение весов входов блока 17 сравнения , на его выходе образуется напряжение, которое поступает на второй управляющий вход первого управляемого интегратора 14 и срывает его работу. Время от начала работы интегратора 15 до срыва работы интегратора 14 зависит от напряжения на выходе сумматора 13. Срыв работы интегратора 14 приводит к срыву работы интегратора 15, исчезнове О нию напряжения на выходе блока 16 сравнения, восстановлению порбгового напряжения вследствие открытия ключа 18 и включению в работу интегратора 14 из-за исчезновения напряжения 65 на его первом и втором управляющих входах. С этого момента начинается второй цикл генерации пейсмекерного потенциала, который будет иметь ту же величину, если на входах устройства не произойдет изменения в соотношении сигналов. Например, если на входы сумматора 12 будет поступать дополнительное напряжение, а на дру-, гие входы устройства напряжение не будет поступать, кроме его первых входов, куда поступает напряжение с выхода источника 11, то величина пейсмекерного потенциала, его продолжительность, и продолжительность интервалов между потенциалами будут увеличиваться, Если дополнительное напряжение поступит на входы сумматора 13, то увеличивается только продолжительность потенциалов. При поступлении напряжения на входы интегратора 15 продолжительность пейсмекерных потенциалов уменьшается. При поступлении напряжения на информационные входы интегратора 14 сокращаются интервалы между следующими друг за другом потенциалами. Комбинации воздействий на информационные входы элемента 2 дают самые различные варианты дискретных последовательностей.Естественно, предсказать заранее характер последовательности потенциалов на выходе любого элемента 2 не представляется возможным даже при моделировании ее на ЭВИ, так как алгоритм программы будет чрезвычайно сложным уже при использовании 3-4 нейронных элементов. С другой стороны, последовательность на выходе любого нейронного элемента 2 зависит в данный и предшествующий моменты от активности других нейронных элементов, входящих в сеть, что позволяет отнести эти последовательности и псевдослучайным.При использовании в сети пяти и более элементов 2 путем различных соединений между ними, можно получить фактически неограниченное число псевдослучайных последовательностей, характер которых зависит от связей внутри сети. В то же время жесткость соединений нейронных элементов в сети обусловливает ограниченные дисперсии сигналов выходных последовательностей. Эта же жесткость соединений обуславливает возникновение в конечном итоге периодичности и стабилизации дисперсии.Характер дисперсии псевдослучайных последовательностей на выходе каждого элемента 2 зависит от типов соединений элементов 2 в сеть. Предварительные изучения таких сетей выявляют следующие танденции. Имеется некоторое семейство соединений, при которых дисперсии последо10 вательностей на выходах сумматоров нейроноподобных элементов имеют тенденцию к уменьшению. Такая тенденция прослеживается лучше при включении в сеть большого числа нейроноподобных элементов. При уменьшении 5 же количества нейроноподобных элементов характер колебаний напряжений пейсмекерных потенциалов приобретает черты гетеростатического, это несколько напоминает изменения в ритмах ретикклярной формации центральной нервной системы. Возможно, изучение работы таких пейсмекерных искусственных сетей может внести добавочную информацию, необходимую для раскрытия механизмов ритмообразования в центральной нервной системе и, в частности, в ретикулярной ее формации, в формировании ритмов которой пейсмекерные механизмы игра" ют существенную роль.20Во втором режиме работы устройства с включениемкоммутатора 6 устройство работает следующим образом;Выходы элементов 2 через комму татор 4 подключаются к входам коммутатора 6, в котором происходит случайная коммутация выходов элементов 2 через коммутаторы 5 и 3 на входы элементов 2. Подключение выхо . дов элементов 2 на входы ячеек .20 (фиг. 3 ) производится произвольно. В самой ячейке выходы элементов 2 также подключаются произвольно без определенных правил, Так, например, 35 выход некоторого элемента 2 может быть подключен или к одному из входов схемы 21 сравнения, или к одному из входов ключа 24 и 25, но может быть подключен одновременно как к входу схемы 21 сравнения, так и входу одного из ключей 24 или 25 (фиг. 4 ).Коммутация выходов элементов 2 на их входы происходит следующим образом.Если на первый вход схемы 21 срав. нения поступает нейсмекерный потенциал, а на второй вход напряжения не поступает вследствие интервала между потенциалами, или на первый ,вход поступает потенциал больший, чем на второй, то напряжение с выхода схемы 21 сравнения поступает через элемент 22 на управляющие входы группы ключей 24. Вследствие этого сигналы с выходов нейтронных элементов 2, подключенных к информационным входам ключей 24, поступают на входы тех нейронных элементов 2, к которьм подключены выходы ключей 24 через коммутаторы 5 и 3. В противоположном случае напряжение с выхода схемы 21 сравнения через элемент 23 поступает на управляющие входы группы ключей 25 и коммутация нейронных элементов меняется. В тех случаях, когда на входах схемы 21 сравнения не будет напряжения, или напряжение входов схемЫ, сравнения будет совпадать пс величине, ключи 24 и 25 будут находиться в закрытом положении.Таким образом, в зависимости от состояний активности элементов 2, выходы которых подключены к входам схем 21 сравнения ячеек 20 коммутации меняется сама коммутация оси, что, в свою очередь, меняет ритм активности .нейронных элементов, подающих сигналы на входы схем 21 сравнения.Заказ 10533/50 ауш ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектн Фили Т НИИПИ по де 13035, раж 70 босударственногам изобретенийМосква, Ж,Подписноомитета СССРоткрытийсная наб.,