Устройство для воспроизведения передаточной функции нервной клетки
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИ ВТИ)3ЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
< 860096 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 2б0179 (21) 2723778/18-24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет
Опубликовано 300881. Бюллетень N9 32
Дата опубликования описания 30.0881 (5! }М. Кл.
G Об G 7/60
Государственный коинтет
СССР по дедам нзобретеннй
II открытн и (53) УДК 881. 333 (088.8) (72) Автор изобретения
Кирин
)t
1
Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Зиамени государственный университет им. М.В. Лбйоносова.. (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНОЙ
ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ
Изобретение относится к электротехническим устройствам и может быть применено в физиологии, кибернетике, медицине.
Известна модель нейрона, включающая в себя сумматоры, интеграторы, реле, контуры обратной связи 1 1.
Недостатки этого устройства — невысокая точность получаемых параметров и узкий диапазон работы и получаемых параметров, Наиболее близким к предлагаемому является устройство для воспроизведения передаточной функции нервной клетки, содержащее сумматор, выход которого соединен с,входом первого интегратора, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства и соединен с первым входом сумматора, второй и третий входы которого являются входами устройства. Кроме этого, устройство содержит два преобразователя и еще один контур нелинейной обратной связи 2 ).
К недостаткам такого устройства следует отнести его сложность и громоздкость, узкий диапазон работы и получаемых параметров, невысокую их точность.
Цель изобретения — повышение точности воспроизведения передаточной
Функции.
Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее сумматор, выход которого соединен с входом первого интегратора, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства и соединен с первым входом сумматора, второй и третий входы которого являются входами устройства, введены блок умножения, инвертор и реле, обмотка которого подключена к 5 шине нулевого потенциала и к выходу сумматора, выход сумматора соединен с первым входом блока умножения, выход которого подключен к четвертому входу сумматора, пятый вход которого
2О соединен с вторым входом блока умножения и с переключающим контактом реле, раэввакающий контакт которого подключен к выходу первого интегратора и к входу инвертора, выход которого соединен с замыкающим контактом реле.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, на, Фиг. 2 графически отображены результаты
30 проверки работы устройства при раз860096 лйчных значениях внешнего сигнала и параметров модели.
Устройство состоит из сумматора 1, первого и второго интегратора 2 и 3, инвертора 4,блока 5 умножения, реле б с контактной группой 7, входов 8 и
9 и выхода. 5
Устройство работает следующим образом.
На вход 8 подают сигнал а в соответствии с которым на клетке устанавливается потенциал покоя. Сигнал б на входе 9 соответствует величине внешнего раздражителя, действующего на клетку.
На вход интегратора 2 поступает 15. сигнал с сумматора 1. С интегратора
2 сигнал поступает как на интегратор
3 (откуда через контур обратной связи идет на вход сумматора), так и в прямом и обратном (инвертированном) Щ значении на вход сумматора 1 и на вход блока 5, где происходит умножение его на значение выходного сигнала сумматора 1. Полученное произведение поступает на вход сумматора. Из- д менение знака сигнала, поступающего с выхода интегратора 2 в контур обратной связи и на блок 5, происходит с помощью реле б при достижении определенного значения сигнала на выходе сумматора 1. На выход интегратора
3 подают начальное значение, равное величине потенциала покоя. Искомое значение потенциала на мембране нервной клетки снимают с выхода
10.
Специфические особенности различных типов нервных клеток отражают путем изменения веса сигналов, поступающих на входы блоков. В частности, 40 вес сигнала, поступающего из блока
5 на вход сумматора, отражает возбудимость клетки. Снижение возбудимости выражается в том, что этот сигнал уменьшается, превращается в нуль и 4 система начинает работать как обычная система второго порядка. Система приобретает свойства живой (возбудимой) системы при отличных от нуля значениях воздействия на общие щ свойства системы произведения сигналов, возникающих на выходе сумматора и первого интегратора, когда она работает в соответствии с уравнением состояния живой системы:
Н, У Р Ру
--Ф+ + + (1)
Но у
У - временной;
Р— интенсивный параметр процес- 60 са;
Ъ
У P — соответственно их максимальо о ные значения;
a — параметр функционального состояния системы. 65
Применительно к системе, генерирующей электрические сигналы, уравнение (1) может быть записано в виде
R 7 с "9 % ц =Е, (а) где q — величина заряда на емкости
С; — сила тока через сопротивление; — скорость изменения силы тока;
Š— индуктивность;
Е - напряжение внешнего источника тока.
Пример . Моделирование мотонейрона кошки.
Принимают стандартные значения параметров мотонейрона кошки(С = 3 10 Ф, R=0,8 10 Ом и потенциал покоя ПП
0,07 В) но замедляют течение времени на модели в 1000 раз, тогда уравнение (2) превращается в машинное вида — +1о j + z с + - =oо1 Е (Л1
%м 1О- . z
2410 и, м м а
) где Е1 — сила внешнего раздражителя.
Адекватно отражая свойства любых типов нервных клеток, находящихся в самых различных состояниях, устройство воспроизводит типичную реакцию стандартного мотонейрона кошки при значениях а, приближающихся к 0,02, и при значениях Z в пределах 0,1-0,3.
На фиг. 2а дано изменение во времени выходного сигнала модели. под воздействием допорогового стимула.
На оси абсцисс откладывается время в миллисекундах, на oC л ординат — ответ в вольтах в выходе 10. Стрелками обозначены моменты включения гиперполяриэующего (+) и деполяриэующего (-) тока. Видно, что при подаче допорогового стимула ответ устройства соответствует ответу живой клетки.
Если же стимул превышает установленное на модели критическое значение, характер реакции на включение стимула положительного знака и на выключение стимула отрицательного знака не изменяется, однако при выключении положительного стимула и при включении отрицательного появляется характерная для живых клеток реакция по принципу Все или ничего, величина которой не зависит от стимула (фиг. 2б). На фиг. 2в приведены результаты испытания воздействия на систему дополни1 ельных стимулов в различные этапы процесса возбуждения (моменты воздействия обозначены стрелками). Нанесение сильного стимула в момент возбуждения не дает никакого ответа (абсолютная рефрактерность), после чего на сильный стимул может появиться
860096 слабый ответ (относительная рефрактерность). На Фиг. 2г дано явление следовой гиперполяриэации, возникакщее при увеличении коэффициента Z, а на фиг. 2д- явление спонтанной активности, возникающее при уменьшении коэффициента а (увеличение веса сигнала, поступающего с блока умножения на вход сумматора). Из фиг. 2е видно, что при -медленном возрастании стимула возбуждение возникает при большем уровне деполяризации, чем при быстром возрастании (явление адаптации) .
Таким образом, предлагаемое устройство характеризуют простота и доступность реализации и теоретической интерпретации, большая точность в рабо-15 те (обеспечивается математическим подобием модели живой клетке). Математическое подобие модели предпола гает естественный характер ее функционирования, взаимодействия с внешни- 2О ми факторами и с подобными ей элементами, что открывает новые воэможности в познании сущности живого, лечении болезней, конструировании систем передачи инФормации и управления. Устройство позволяет моделировать генерацию электрических потенциалов любыми типами нервных клеток, находящимися в самых различных состояниях и подвергающихся самым различным воздействиям. Это обеспечивается тем„ что предлагаемая модель ос. нована не на результатах имитации работы конкретного объекта, à íà основе конкретизации фундаментальной 35 физиологической закономерности, которой подчиняются процессы жизнедеятельности.
Формула изобретения
Устройство для воспроизведения передаточной функции нервной клетки, содержащее сумматор, выход которого соединен с входом первого интегратора, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства и соединен с.первым входом сумматора, второй и третий входы которого являются входами устройства, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повышения точности воспроизведения передаточной
Функции, в устройство введены блок умножения, инвертор и реле, обмотка которого подключена к шине нулевого потенциала и к выходу сумматора, выход сумматора .соединен с первым входом блока умножения, выход которого подключен к четвертому входу сумматора, пятый вход которого соединен с вторым входом блока умножения н с переключающим контактом реле, размыкающий контакт которого подключен к выходу первого интегратора и к входу инвертора, выход которого соединен с замыкающим контактом реле.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Антомонов Ю.Г. и др. Элементы теории нейрона, Киев, Наукова думка, 1966.
2. Авторское свидетельство СССР
9 152578, KJI. G 06 G 7j60, 1962 (прототип) .
860096
800
0,95
-aors
-Ю!У
805 аао е»
Составитель A.ßèöêoâ
Редактор Н.Бушаева ТехредA. Бабинец Корректор У . Пономаренко
Заказ 7550/32 Тираж 745 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
+фф
Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4
