Устройство для морфодинамического моделирования нейрона

 

Использование: изобретение относится к устройствам моделирования нервной системы и может быть использовано при исследовании нейронов и нейронных структур, в частности, процессов морфодина мики отдельных нервных клеток и организованных в нейронные ансамбли. Сущность: при поступлении сигналов возбуждающих локальны постсинаптических потенциалов (ЛИСП) на два или более дендритных входа непосредственно с выходов блоков моделирования возбуждающих синапсов, либо с выходов сумматоров после вычитания в них сигналов с выходов блоков моделирования тормозящих синапсов, происходит взаимное изменение постоянных времени зл ементов задержки и их коэффициентов затухания в прямой и обратной цепях блоков моделирования дендритов. расположенных по обеим сторонам от каждого дендритного входа, с помощью блоков моделирования морфодинамики и проксимальных и дистальных блоков моделирования морфодинамики, причем сигнал ЛПСП с каждого дендритного входа влияет на элементы задержки, расположенные по обеим сторонам от каждого из остальных активированных дендритных входов и подключенных управляющими входами и к выходам соответствующих им блоков . Перераспределение параметров блоков моделирования дендритов под действием функционирования блоков моделирования морфодинамики существенным образом сказывается на характере распределения и взаимодействия волновых процессов распространения и наложения прямых и обратных волн ЛПСП от всех синапсов вдоль длины дендрита и отражается как на результирующем сигнале с выходов блоков моделирования дендритов, так и с дендритных выходов устройства аналогично реальному биологическому нейрону, перестраивающему свою морфологическую структуру дендриона в процессе физиологической деятельности, что выражается в конечном итоге в изменении закономерностей и характере реагирования импульсными ответами по аксонному выходу и градуальными ответами в передаче информации по химическим и электрическим синапсам с дендритного дерева. 7 ил. Ј 00 ел ел 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ts»s G 06 G 7/60

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) /

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4950791/14 (22) 26.06.91 (46) 15.05.93. Бюл. ¹ 18 (71) Уфимский авиационный институт им.

Серго Орджоникидзе (72) А,Г.Жуков, T.Ñ.Ëàâðîâà. А.В.Савельев и

Н.А,Савельева (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1501101, кл, G 06 G 7/60, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОРФОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА (57) Использование. изобретение относится к устройствам моделирования нервной системы и может быть использовано при исследовании нейронов и нейронных структур, в частности, процессов морфодина мики отдельных нервных клеток и организованных в нейронные ансамбли. Сущность: при поступлении сигналов возбуждающих локальных постсинаптических потенциалов (ЛПСП) на два или более дендритных входа непосредственно с выходов блоков моделирования возбуждающих синапсов, либо с выходов сумматоров после вычитания в них сигналов с выходов блоков моделирования тормозящих синапсов, происходит взаимное изменение постоянных времени элементов задержки и их коэффициентов затухания в прямой и обратной цепях блоков моделирования дендритов. расположенных по обеим сторонам от каждого

Изобретение относится к устройствам моделирования нервной системы и может быть использовано при исследовании нейронов и нейронной структур, в частности процессов морфодинамики отдельных нервных клеток и организованных в нейронные ансамбли, „„59ÄÄ 1815658 А1 дендритного входа, с помощью блоков моделирования морфодинамики и проксимальных и дистальных блоков моделирования морфодинамики. причем сигнал ЛПСП с каждого дендритного входа влияет на элементы задержки, расположенные по обеим сторонам от каждого из остальных активированных дендритных входов и подключенных управляющими входами и к выходам соответствующих им блоков. Перераспределение параметров блоков моделирования дендритов под действием функционирования блоков моделирования морфодинамики существенным образом сказывается на характере распределения и взаимодействия волновых процессов распространения и наложения прямых и обратных волн ЛПСП от всех синапсов вдоль длины дендрита и отражается как на результирующем сигнале с выходов блоков моделирования дендритов, так и с дендритных выходов устройства аналогично реальному биологическому нейрону, перестраивающему свою морфологическую структуру дендриона в процессе физиологической деятельности. что выражается в конечном итоге в изменении закономерностей и характере реагирования импульсными ответами по аксонному выходу и градуальными ответами в передаче информации по. химическим и электрическим синапсам с дендритного дерева. 7 ил.

Целью изобретения является повышение точности моделирования нейрона за счет приближения его свойств к свойствам биологического аналога, в частности, путем моделирования морфодинамических процессов именения положения синапсов на дендрите в процессе функционирования нейрона.

1815658

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для морфодинамического моделирования неройна; на фиг.2 — функци,ональная схема блока моделирования морфодинамики и проксимального или дистального блока моделирования морфодинамики; на фиг.3 — функциональная схема блока моделирования дендрита с блоками моделирования морфодинамики; на фиг.4— временная диаграмма морфодинамики синапсов на дендрите при стимуляции двух синаптических входов посередине дендрита; на фиг.5 — временная диаграмма морфодинамики при стимуляции дистального и серединного синапса; на фиг,6 — пример реализации интегратора; на фиг.7 — элемент задержки.

Устройство для морфодинамического моделирования нейрона (фиг.1) содержит 20 управляемые резисторные элементы 1, блоки моделирования возбуждающих 2 и тормозящих 3 синапсов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных согласующего усилителя 4, вход которого 25 является входом блока моделирования синапса 2 и 3 и соединен с соответствующим ему выходом управляемого резисторного элемента 1, накопительного элемента 5 и элемента 6 синаптической задержки выде- 30 ления медиатора, выход которого является выходом блока моделирования синапсэ 2 и

3; блоки 7 моделирования дендритов, проксимальные выходы которых подключены ко входам адаптивного сумматора 9; 35 пороговый блок 10, вход которого соединен с выходом сумматора 9, а выход является выходом устройства, состоящий из элемента 11 сравнения, формирователя 12 порога, формирователя 13 выходных импульсов и 40 блока 14 обратной связи, выход которого соединен со входом формирователя 12 порога, выход которого подключен ко второму входу элемента 11 сравнения, первый вход которого является входом порогового блока 45

10, а выход подключен ко входу формирователя 13 выходных импульсов, выход которого является выходом порогового блока 10 и соединен со входом блока 14 обратной связи, а также со входом блока 15 синхронизации; входы которого соединены со входами устройства, которыми являются входы управляемых резисторных элементов 1, а выходы — с управляющими входами всех управляемых рези- 55 сторных элементов 1: блоки 7 моделирования дендритов (фиг.3) содержит трехвходовые сумматоры 16 прямой цепи 17 и трехвходовые сумматоры 18 обратной 19 цепи, прямая цепь 17 состоит из последовательно включенных чередующихся элементов задержки 20исумматоров

16 по их первому входу и начинается и зэканчивается элементом задержки 20, обратная цепь 19 состоит иэ последовательно включенных чередующихся элементов задержки 21 и сумматоров 18 по их первому входу и начинается сумматором 18, а заканчивается элементом задержки 21, выход которого соединен со входом инвертора 22, выход которого подключен ко входу первого элемента задержки 20 прямой цепи 17; управляющие выходы смежных элементов задержки 20 и 21 прямой 17 и обратной 19 цепей объединены попарно и образуют управляющие входы блоков 7 моделирования дендритов, вторые входы смежных сумматоров 16 и 18 прямой 17 и обратной 19 цепей объединены попарно и образуют дендритные входы блоков 7, первые входы сумматоров 16 соединены с третьими входами смежных сумматоров 18, а первые входы сумматоров 18 соединены с третьими входами смежных им сумматоров 16, вторые входы всех сумматоров 18 являются инвертирующими: двухвходовые сумматоры 23, первый вход каждого из которых соединен с выходом блока 2 моделирования возбуждающего синапсов, а второй вход — с выходом ближайшего к нему по дендриту блока 3 моделирования тормозящего синапса, выходы сумматоров 23 соединены с дендритными входами соответствующих блоков 7, на котором данные синапсы располагаются; выходы блоков 2 моделирования возбуждающих синапсов могут подключаться также непосредственно к дендритным входам блоков 7 в зависимости от морфологии; блоки 24 моделирования морфодинамики (фиг,2), состоящие из правого и левого многовходовых сумматоров 27, число входов которых в сумме у правого и левого сумматора 27 вместе для каждого блока 24 равно числу дендритных входов блока 7 на котором размещаются данные блоки 24, правого 25 и левого 26 ключей, причем в каждом блоке 24 вход правого ключа 25 соединен с выходом левого сумматора 27, а вход левого ключа 26 соединен с выходом правого сумматора 27. управляющие входы ключей 25 и 26 образуют соответственно правые и левые разрешающие входы блоков

24, выход ключа 25 образует правый перекрестный выход блока 24 и соединен также с первым инвертирующим выходом сумматора — вычитателя 28, выход ключа 26 образует левый перекрестный выход блока 24 и соединен также со вторым инвертирующим входом сумматора — вычитателя 28, два неинвертирующих входа которого образуют соответственно правый и левый перекрестные входы блоков 24, интегратор 29 с большой постоянной времени

1815658 и возможностью хранения сигнала, вход которого соединен с входом сумматора — вычитателя 28, а выход является выходом блока 24; дистальные и проксимальные блоки 31 моделирования морфодинамики (фиг.2), состоящие из ключа 30, многовходового сумматора 32, число входов которого на один меньше числа дендритных входов конкретного блока 7, на котором эти блоки

31 размещаются, и интегратора 33, выход которого является выходом блоков 31 и соединены с дистальным и проксимальным управляющими входами блока 7 соответственно, вход интегратора 33 в каждом блоке

31 соединен через ключ 30 с выходом сум15 матора 32, входы его образуют входы блоков 31, а управляющий вход ключа— разрешающий вход блоков 31; причем, разрешающий вход дистального блока 31 соединен с дистальным дендритным входом (фиг.1, 3), а проксимального блока 31 — с проксимальным дендритным входом своего блока 7, входы сумматора 32 дистального блока 31 соединены со всеми дендритными входами, кроме дистального, входы сумматора 32 проксимального блока 31 соединены со всеми дендритными входами, кроме проксимального; входы обоих сумматоров

27 каждого блока 24 моделирования марфо- 30 динамики соединены со всеми дендритными входами, причем, входы левого сумматора 27 каждого блока соединены с дендритными входами, расположенными левее данного блока 24, а входы правого 35 сумматора 27 этого же блока 24 соединены с дендритными входами блока 7, расположенными правее данного блока 24, правые перекстные выходы каждого блока 24 соединены с левыми перекрестными входами 40 соседних с ними справа блоков 24, а левые перекрестные выходы каждого блока 24 соединены с правыми перекрестными входами соседними с ними слева блоков 24, исключение составляют крайние блоки 24 45 слева справа, которые расположены рядом с дистальным и проксимальным блоками 31 моделирования морфодинамики соответственно, у которых левые перекрестные вход и выход у крайнего левого блока 24 и правые перекрестные вход и выход у крайнего правого блока 24 не задействованы; дендритные выходы 34 блоков 7, которыми являются выходы элементов задержки 20 прямой цепи 17, являются дендритными выходами устройства.

Устройство для морфодинамического моделирования нейрона (фиг.1 — 3) работает следующим образом.

Выходные сигналы в виде спайковой последовательности подаются на выходы управляемых резисторных элементов 1, где масштабируются по амплитуде в соответствии с весом синаптического контакта, далее поступают на входы блоков моделирования возбуждающих 2 и тормозящих 3 синапсов, где черех согласующие усилители 4 попадают на накопительные элементы 5, при этом изменяют форму, длительность и знак (возбуждающий или тормозящий синапс) и преобразуются в локальные постсинаптическтие потенциалы (ЛПСП), Далее они задерживаются на время синаптической задержки в элементах 6 и поступают на входы соответствующих блоков 7 моделирования дендритов соответственно расположению синапсов на каждом реальном дендрите. Также как и в известном устройстве результирующие сигналы с выходов

8 блоков 7 суммируются в аддитивном сумматоре 9, где происходит их алгебраическое и временное суммирование. Суммарный сигнал с выхода сумматора 9 поступает на вход порогового блока 10, которым является первый вход элемента 11 сравнения, навторой вход которого поступает напряжение порога с выхода формирователя 12 порога. При отсутствии импульсации на выходе устройства напряжение на выходе формирователя 12 порога соответствует начальному значению порога, При превышении-этого значения величиной суммарного сигнала с выхода сумматора 9 на выходе элемента 11 появляется сигнал, при этом формирователь выходных 13 импульсов генерирует импульсную последовательность близкую по форме к спайкам, частота которой пропорциональна напряжению на выходе элемента 12. Адаптивная подстройка параметров устройства осуществляется аналогично прототипу при помощи блока 14 обратной связи и блока 15 синхронизации, При наличии импульса на выходе устройства сигнал с выхода формирователя 13 поступает на вход блока 14 обратной связи, на выходе которого появляется сигнал, поступающий на вход формирователя 12 порога, в результате чего увеличивается величина порога, что моделирует реакцию привыкания на пороговом уровне. Сигнал с выхода формирователя 13 поступает также на вход блока 15 синхронизации вместе с входными сигналами устройства, поступающими на соответствующие входы блока 15. В зависимости от величины этих сигналов заданным условием с блока 15 синхронизации поступает управляющий сигнал, изменяющий сопротивление соответствующего резисторного элемента

1. Сигналы ЛПСП в каждом блоке 7 моделирования дендрита поступают на неинвертирующие и инвертирующие входы сумматоров

1815658 этого блока. Сигналы ЛПСП от каждого си- эквивалентен простой сумме задержанных напса поступают с входов блоков 7 модели- сигналов с выходов блоков моделирования рования дендритов на вторые синапсов. Вместе стем, сигнал возбуждаюнеинвертирующие входы сумматоров 16 щих ЛПСП с выхода каждого из блоков 2 прямой цепи 17, образуя прямую волну де- 5 моделирования возбуждающих синапсов ндритного потенциала со знаком плюс, рас- либо непосредственно, либо с выхода сумпространяющуюся в прямом направлении матора 23 после вычитания из него сигнала по прямой цепи 17,и на инвертирующие вхо- с выхода соответствующего ему блока 3 моды сумматора 18обратной цепи 19, образуя делирования тормозящего синапса в соотволну дендритного потенциала со знаком 10 ветствующемдвухвходовом сумматоре23 в минус, распространяющуюся в обратном зависимости от морфологии реального денаправлении по обратной цепи 19. На каж- ндрита, моделируемого устройством, постудом сумматоре 16 блока 7 происходит сум- пает на разрешающие входы двух смежных мирование входного сигнала с выхода блоков 24 моделирования морфодинамики, соответствующего блока 2 моделирования расположенных по обе стороны вдоль десинапса с прямой волной дендритного по- ндрита от данного входа А блока 7 моделитенциала, распространяющейся по прямой рования дендрита (см. фиг.3). Этот сигнал цепи 17 в соответствии с декрементом зату- производит замыкание правого 25 и левого хания, задаваемым коэффициентом переда- 26 ключей соответственно левого и правого чи элементов 20 задержки, от синапсов, блоков24отактивированноговходаблока7 расположенных левее, и поступающей на (фиг.3). Если на каком-либо другом дендритпервые неинвертирующие входы суммато- ном входе С, расположенном слева от данров 16 с выходов элементов 20 задержки, и ного дендритного входа А блока 7 появятся вычитание обратной волны, распространя- 25 в это время сигналы возбуждающих ЛПСП, ющейся по обратной цепи от синапсов, рас- то они поступают на соответствующий вход положенных правее, и поступающей на левогомноговходовогосумматора27левого третьи неинвертирующие входы суммато- от входаАблока24моделирования морфоров 16. Результирующие сигналы распрост- динамики и через него и соединенный послераняются в прямом (проксимальном) 30 довательно с его выходом правым ключом направлении к выходу 8 блока 7 моделиро- 25 этого блока 24 и с выхода ключа 25 постувания дендрита через элементы 20 задерж- пают на инвертирующий вход сумматора— ки и правые сумматоры 16 и представляют вычитателя 28, где инвертируются и в виде собой прямую волну дендритного потенци-. отрицательного напряжения поступают на ала. На каждом сумматоре 18 блока 7 моде- 35 вход интегратора 29 с большой постоянной лирования дендрита происходит времени заряда, который начинает.медленсуммирование инвертированного входного но интегрировать уровень напряжения посигнала, приходящего на инвертирующий . ступающих ЛПСП, т.е, его конденсатор вход с выхода соответствующего блока 2 . оченьмедленнозаряжаетсяотрицательным моделирования синапса, и инвертирован- 40 напряжением. При этом при достаточно ной обратной волны, поступающей на пер- долгой стимуляции данных дендритных вховый неинвертирующий вход сумматора 18 дов происходитнакоплениеотрицательного с выхода элемента 21 задержки и вычитание напряжения на конденсаторе интегратора их из неинвертированной прямой волны, 29, которое одновременно поступает на уппоступающей.на второй неинвертирующий 45 равляющие входы элементов задержки 20 вход (так как последняя имеет противопо- прямой цепи 17 и 21 обратной цепи 19 и ложный положительный знак). Результиру- уменьшает одновременно их постоянные .ющие сигналы расп ространяются . в времени задержки и уменьшает их коэффиобратном направлении (дистальном), пока циент затухания, что эквивалентно сокране достигают инвертора 22, где, изменяя 50.щению расстояния между знак, поступают с его выхода на вход эле- активированными синапсами, расположенмента 20 задержки прямой цепи 17, т.е. пре- ными на дендрите в точках А и С (фиг.3). образуются в прямую. волну, что Кроме того напряжение ЛПСП от входа С, моделирует отражение обратных волн де- поступающее через левый многовходовый ндритногопотенциалаотдистального кон- сумматор 27 блока 24, левого от входа А, ца дендрита. проходя через замкнутый сигналом с входа

Таким образом,сигнал аналогичнопро- А правый ключ 25 поступает, также и на тотипу с выхода 8 блока 7 моделирования правый перекрестный выход данного блока дендрита отражает сложные взаимодействия 24 и поступает с него на левый перекрестпрямых и обратных вол н дендритного ria- ный вход блока24, располложенного справа тенциала и, как в реальном нейроне, не от входа А и через него — на неинвертирую1815658

10 щий вход сумматора — вычитателя 28 этого блока 24. Положительное напряжение, пропорциональное пульсирующему напряжению ЛПСП с выхода этого сумматора— вычитателя 28 поступает на интегратор 29 данного блока 24, где на конденсаторе его происходит накопление положительного напряжения которое поступает на выход этого блока 24 и оттуда на обьединенные входы соответствующих элементов задержки 20 и 21 прямой 17 и обратной 19 цепи и увеличивает их постоянную времени и коэффициент затухания. Аналогично сигнал с входа А проходит через правый сумматор 27 и замкнутый сигналом с входа С левый ключ

26 левого от входа А блока 24 (фиг.3) на левый перекрестный выход этого блока и с него на правый перекрестный вход левого от входа С блока 24 моделирования морфодинамики и в нем поступает на неинвертирующий вход сумматора — вычитателя 28, с выхода которого поступает на интегратор 29 этого блока, увеличивая, тем самым, положительным напряжением постоянные времени и коэффициент затухания соответствующих ему элементов задержки

20 и 21 прямой 17 и обратной 19 цепей блока

7 моделирования дендрита. Конденсаторы интеграторов 29 заряжаются очень медленно, при этом происходит медленное изменение постоянных времени задержки и коэффициента затухания элементов 20 и 21, и ричем, (см. фиг.4)гсо увеличивается наЛ 1, асс уменьшается на М1 с другой стороны, TAE увеличивается на Ж2, atAc уменьшается на Лтг, т.е. начинают выполняться соотношения через интервал времени At: гсо (to+A t) =iсо (ts)+ Ж

tAE (tO +Л t) =tAE(to)+&2

TAC(t0+ At) =tAC (tO) — (М +ЛХг )

Т.е. происходит "сползание" активированных синапсов, расположенных в точках

А и С друг к другу по дендриту. Условие:

rcpt (to+ Ж)+где (to+At)+ тдс(Ь+Ж) =tC0(tO) + tAE (tO) +ТДС (to) означает неизменность расстояния между синапсами Д и Е, которые не активированы.

Если активирован дистальный Д вход дендрита 7 (см. фиг.3 и 4), то зто приводит к замыканию ключа 30 дистального блока 31 моделирования морфодинамики и левого ключа 26 правого от дистального входа Д блока 24 моделирования морфодинамики.

При этом если на каком-либо из других входов блока 7 моделирования дендрита возникнут возбуждающие ЛПСП с выходов соответствующих возбуждающих синапсов непосредственно, либо с выходов соответ5

55 ствующих двухвходовых сумматоров 23. то эти напряжения поступают на входы многовходового сумматора 32 дистального блока

31 и суммарное положительное напряжение с его выхода поступает через замкнутый под действитем ЛПСП на входе Д ключ 30 блока

31 на вход интегратора 33, где происходит его накопление и медленно возрастающее положительное напряжение с его выхода пропорционально увеличивает постоянные времени и коэффициент затухания дистальных элементов задержки 20 и 21 прямой и

17 и обратной 19 цепи блока 7. Одновременно с этим напряжением ЛПСП с активированных входов (например, вход А) блока 7 поступают на входы правого сумматора 27 блока 24 правого с входом Д и, суммируясь в нем, поступает через ключ 26, замкнутый сигналами с входа Д, подается на инвертирующий вход сумматора — вычитателя 28 с выхода которого, инвертируясь в напряжение отрицательной полярности, поступает на вход интегратора 29 данного блока 24, где медленно заряжает конденсатор интегратора 29 и, тем самым, накапливается, уменьшая постоянную времени и коэффициент затухания элементов задержки 20 и

21 прямой 17 и обратной 19 цепи в соответствующем звене, непосредственно примыкающем к дистальному. Таким образом, происходит увеличение постоянных времени задержки звена слева от дистального входа Д блока 7 и уменьшение на ту же величину 6 1 постоянных времени задержки звена справа от входа Д, что создает эффект перемещения дистального входа Д по дендриту в сторону активированных синапсов, расположенных вдоль дендрита (фиг.5), Пусть вдоль дендрита активирован один синапс в точке А. Сигнал со входа Д поступает через левый сумматор 27 левого блока 24 по отношению ко входу А и с его выхода через замкнутый правый ключ 25 сигналом с входа А и с выхода ключа 25 на инвертирующий вход сумматора — вычитателя 28, и в виде отрицательного напряжения накапливается в интеграторе 29 и с его выхода уменьшает постоянные времени и коэффициент затухания элементов задериски 20 и 21 звена, расположенного слева от входа А. Кроме того напряжение с выхода правого ключа 25 данного блока 24 поступает по перекрестному выходу на левый перекрестный вход соседнего блока 24, правого относительно входа А и попадает на неинвертирующий вход сумматора — вычитателя

28 правого блока 24, с выхода которого в виде положительного напряжения накапливается в интеграторе 29 и настолько же

1815658

12 (htz) увеличивает с его выхода постоянные времени и коэффициент затухания элементов задержки 20 — 21 звена, расположенного справа от входа А. Таким образом, это соответствует эффекту смещения активированного входа А в сторону активированного дистального входа Д (фиг.5). Если активируется проксимальный вход F, то процессы, происходящие в нем совершенно аналогичны активации дистального входа Д. В случае 0 активации одновременно нескольких (более двух входов) поисходит суммирование нескольких сигналов в сумматорах 27 и суммирование — вычитание их в сумматорах— вычитателях 28 с учетом взаимного располо:. 15 жения на дендрите активированных входов и соответственно результирующее изменение постоянных времени задержки, аналогичное активации двух синтетических входов;

При прекращении активации какого-либо входа, ключ 25 левого с ним блока 24 и ключ 26 правого блока 24, связанныеуправляющими входами сданным входом, размы- 25 каются и сигналы от левых и правых входов блока 7 относительно данного входа через них не проходят и на входы интеграторов 29 блоков 24 справа и слева от данного дендритнаго входе сигнала поступать пере- 3О стает (если не были. активированы дендритные входы, смежные с данным . справа и слева) и эти интеграторы 29 переходят в режим хранения., т,е. входы их отключаются и напряжение на конденсаторах 35 в соответствующей полярности, накопленное к этому времени сохраняется, поддерживая тем самым долгое время значения постоянных времени задержки и коэффициентов затухания элементов 20 и 21 блока 7, 40 т.е. положение синапсов.на дендрите, получившееся в результате стимуляции синапсов. Если ективировение входов устройства не происходит длительное время, конденсаторы интеграторов 29 постенно разряжают- 45 ся за счет саморазряда и неидеальностей операционных усилителей и синапсы посте-., пенно возвращаются к первоначальному ис- . ходному положению. т.е. моделируется морфологическая деградация в отсутствии 50 возбуждения.

Перераспределение параметров блоков моделирования дендритов 7 под действием функционирования блоков 24 и 31 модели. рования,морфодинамики существенным образом сказывается на характере распределения и взаимодействия волновых. процессов распространения и наложения прямых и обратных волн ЛПСП от всех синапсов вдоль длины дендрита и отражается как на результирующем сигнале с выходов блоков 7 моделирования дендритов, так и с дендритных 34 выходов устройства аналогично реальному биологическому нейрону, перестраивающему свою морфологическую структуру дендриона в процессе физиологической деятельности, что выражается в конечном итоге в изменении закономерностей и характера реагирования импульсными ответами по аксонному выходу и градуальными Ответами в передаче информации по химическим и электрическим синапсам с дендритного дерева.

Пример реализации интегратора 29 изображен на фиг.6. Интегратор 29 содержит два операционных усилителя (ОУ) 35 и 36, ключа 37, 38, накопительный конденсатор

39 и резисторы;40-43, ОУ 35 представляет собой усилитель с разомкнутой обратной связью, управляющий ключами 37, 38, которые могут быть реализованы на полевых транзисторах, на. ОУ 36 и резисторах 41, 42 собран усилитель с большим входным сопротивлением. Если на входе интегратора

29 присутствует напряжение положительной полярности, то на выходе усилителя 35 наблюдается напряжение положительного насыщения. которое поддерживает ключ 37 в замкнутом состоянии, а ключ 38 — в разомкнутом и конденсатор 39 медленно заряжается с большой постоянной времени через резистор 41 большого сопротивления.

Величина напряжения на конденсаторе передается через. усилитель на ОУ 36 и через него на выход интератора 29. В случае, когда напряжение на входе интегратора 29 становится равным нулю, напряжение на выходе усилителя 35 также равно нулю и ключи 37 и 38 размыкаются и блок 29 переходит в режйм хранения накопленного на

«онденсаторе. 39 напряжения, которое очень медленно уменьшается только за счет саморезряде конденсатора 39 через очень большое. входное сопротивление ОУ 36. Если напряжение не входе интегратора имело отрицательную полярность, то замыкался ключ 38, а ключ 37 был разомкнут и на конденсаторе 39 накапливается напряжение отрицательной полярности.

Пример реализации управляемых элементов задержки 20 и 21 изображен на фиг,7 и содержит два ОУ 44,45, два конденсатора 46, 47, резисторы 48-53 и управляемые сопротивления на полевых транзисторах 54, %. OY 44, 45, конденсаторы 46, 47 и резисторы

48 образуют собственно элемент задержки, использующий приближенное разложение в ряд Паде второго порядка. На транзисторах

54, 55 реализованы управляемые входным управляющим напряжением со входа управления активные сопротивле13

1815658 ния, регулирующие постоянную времени задержки элемента как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения в зависимости от полярности управляющего сигнала. На.чальное значение сопротивления в отсутствии управляющего сигнала подбирается величиной сопротивления резисторов 52, 53, а также резистора смещения 51.

Предлагаемое устройство для морфодинамического моделирования нейрона по сравнению с известными и, в том числе, прототипом, обладает следующими преимуществами; — значительно более высокой точностью воспроизведения функциональных свойств реального биологического нейрона, за счет введения дополнительных элементов, соединенных предложенным образом, позволяяющим моделировать не только функциональные, но и структурные изменения пластических свойств нейронов, кардинальным образом отражающихся на его функциональных свойствах, что совершенно не учитывалось в известных ранее устройствах; . —. более высокой точностью воспроизведения свойств нейрона на значительном временном интервале за счет воспроизведения структурной динамики синаптических контактов на дендритном дерезе, в отличии от известных устройств, в которых .моделирование этого явления невозможно, в результате чегоони обладают приемлемой точностью моделирования лишь на коротком отрезке времени, либо в точке; — более широкими функциональными . возможностями за счет повышения степени неоднозначности реагирования не только в зависимости от внутреннего состояния нейрона, но и-во времени; — возможностью отражения морфогенеза и обучения на уровне структурной организации за счет введения дополнительных элементов; соединенных предложенным образом; — расширением диапазона моделирования свойств нейрона, т.к. позволяет отразить в электрической модели не только электрические свойства нейрона, как зто обычно осуществлялось в известных устройствах, но и свойства качественно другой природы, в частности механические и мехадинамические процессы в реальных нервных клетках; — предлагаемое устройство может служить основой построения специализированных, так и универсальных вычислителей; использующих нетрадиционные принципы за счет использования механизмов иной

55 дого иэ блоков моделирования дендритов соединены с выходами соответствующей группы блоков моделирования возбуждающих и тормозящих синапсов, располагающихся на данном дендрите, пороговый блок, состоящий из последовательно соединенных блока обратной связи, блока формирования порога, элемента сравнения, второй вход которого является входом порогового природы, в частности, электромеханических свойств пластичности нервных клеток.

Формула изобретения

Устройство для морфодинамического .5 моделирования нейрона, содержащее управляемые резистивные элементы, входы которых являются входами устройства, соединенные с ними последовательно блоки моделирования возбуждающих и тормозящих синапсов, состоящие из последовательно соединенных согласующих усилителей, входы которых являются входами блоков моделирования синапсов, накопительных элементов и элементов задержки, выходы которых являются выходами блоков моделирования синапсов, причем накопительные элементы блоков моделирования тормозящих синапсов являются инвертирующими, блоки моделирования дендритов, состоящие из прямой и обратной цепей, представляющих собой последовательно включенные чередующиеся между собой трехвходовые сумматоры и элементы эадер25 жки, причем в каждой иэ цепей выход предыдущего сумматора соединен с входом последующего элемента задержки, выход которого подключен к первому неинвертирующему входу следующего сумматора, при

3О этом обратная цепь начинается с суммато- . ра, а выход ее последнего элемента задержки соединен через инвертор с входом первого элемента задержки прямой цепи, вторые неинвертирующие входы суммато35 ров прямой цепи соединены с инвертирующими входами смежных с ними сумматоров обратной цепи и являются входами блока моделирования дендрита. выход каждого элемента задержки прямой цепи соединен

40 с вторым неинвертирующим входом соответствующего сумматора обратной цепи и является выходом блока моделирования дендрита, представляющим собой дендритный выход устройства, а выход каждого

45 элемента задержки обратной цепи соединен с третьим неинвертирующим входом соответствующего сумматора прямой цепи, оканчивающейся элементом задержки, выход которого является выходом блока моде50 лирования дендрита, аддитивный сумматор, входы которого соединены с выходами блоков моделирования дендритов, а входы каж15

1815658

16 блока и формирователя выходных импульсов, выход которого является выходом порогового блока и аксонным выходом устройства и подключен к входу блока обратной связи, блок синхронизации, выходы которого соединены с управляющими входами резистивных элементов, а входы — с входами и выходом устройства, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены блоки моделирования морфодинамики, число которых для каждого I-го блока моделирования дендрита на один меньше числа п его входов, проксимальный и дистальный блоки моделирования морфодинамики для каждого блока моделирования дендрита; каждый блок моделирования морфодинамики содержит два многовходовых сумматора, входы которых являются входами блока моделирования морфодинамики, общее число которых равно числу синаптических входов блока моделирования дендрита, на котором данный блок располагается, число входом между этими двумя сумматорами перераспределяется в зависимости от положения блока моделирования морфодинамики на дендрите; крайний левый блок имеет один вход левого сумматора и и-1 входов правого многовходового сумматора, во втором блоке слева левый сумматор имеет два входа, а . правый — nI — 2 входов и т.д., в крайнем правом блоке моделирования морфодинамики левый сумматор имеет nI — 1 входов, а правый сумматор — один вход; каждый блок моделирования морфодинамики содержит также два ключа, четырехвходовый сумматор — вычитатель, интегратор, причем выход правого многовходового сумматора соединен с входом левого ключа, выход которого является левым перекрестным выходом, а управляющий вход — левым разрешающим входом, выход левого многовходового сумматора соединен с входом правого ключа, выход которого является правым перекрестным выходом блока, а управляющий вход— правым разрешающим входом блока моделирования морфодинамики, выходы ключей соединены с инвертирующими входами сумматора — вычитателя, неинвертирующие входы которого являются правым и левым перекрестными входами блока моделирования морфодинамики, выход суматора — вычитателя соединен с входом интегратора, выход которого является выходом блока моделирования морфодинамики, управляющие входы в в каждом блоке моделирования дендрита, которым являются дополнительно введенные управляющие входы элеменТо8 задержки, объединенные у каждой пары смежных элементов прямой и обратной цепи, дистальный и проксимальный блоки моделирования морфодинамики состоят из многовходового сумматора с числом входов, равным числу nI — 1 возбуждающих синапсов

5 на данном i-м дендрите, ключа, вход которого соединен с выходом многовходового сумматора, и интегратор. вход которого соединен с выходом ключа, а выход является выходом блока моделирования морфоди1О намики, управляющий вход ключа является разрешающим входом проксимального и дистального блоков моделирования морфодинамики, выходы блоков моделирования морфодинамики, в том числе дистального и проксимального блоков одного дендрита соединены с управляющими входами блока моделирования дендрита, разрешающие входы каждого блока моделирования морфодинамики соединены с ближайшими к нему правым и левым входами блока моделирования дендрита, разрешающий вход дистального блока моделирования морфодинамики соединен с ближайшим к нему дистальным входом блока моделирования дендрита, разрешающий вход проксиального блока моделирования морфодинамики соединен с ближайшим к нему проксимальным входом, входы многовходового сумматора проксимального и дистального блоков соединены со всеми входами блока моделирования дендрита, кроме проксимального и дистального соответственно, входы каждого блока моделиро35 вания морфодинамики соединены со всеми входами блока моделирования дендрита, на котором эти блоки располагаются, входы левого многовходового сумматора каждого блока моделирования морфодинамики сое40 динены со всеми входами блока моделирования дендрита, находящимися слева по дендриту, а входы правого многовходового сумматора каждого блока моделирования морфодинамики соединены со всеми входа45 ми блока моделирования дендрита, находящимися слева подендриту, а входы правого многовходового сумматора каждого блока моделирования морфодинамики соединены со всеми входами блока моделирования дендрита, находящимися справа по дендриту, правый перекрестный выход каждого блока моделирования морфодинамики соединен с левым перекрестным входом соседнего с ним справа блока моделирования морфодинамики, а левый перекрестный выход — с правым перекрестным входом соседнего с ним слева по дендриту блока моделирования морфодинамики, левые перекрестные входы и выходы крайних блоков моделирования морфодинамики, расположенные на левом дистальном конце блоков моделиро17

1815658

18 вания морфодинамики, расположенные на левом дистальном конце блоков моделирования дендритов и правые перекрестные входы и выходы крайних блоков моделирования морфодинамики, расположенные на правом проксимальном конце дендрита не задействованы. в зависимости от расположения тормозящих синапсов на дендрите некоторые соответствующие входы блоков моделирования дендритов подключены к выходам двухвходовых сумматоров, к одно5 му из входов которых подключаются выходы блоков моделирования тормозящих синапсов, к другому — возбуждающих.

1815658

Фиа 7

Составитель М. Панфилов

Тех ред M. Ìîð ãåíòàë Корректор М. Максимишинец

Редактор роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1637 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5