SU1645973A1 - Neuron simulation device - Google Patents

Description

(1) 4676407/14(1) 4676407/14

(22) 11.04.89(22) 04/11/89

(46) 30.04.91. Бкш. If 16(46) 04.30.91. Bksh. If 16

(71)уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе(71) Ufa Aviation Institute. Sergo Ordzhonikidze

(72)А.В. Савельев, Н.А. Савельева, А.А. Колесников и А.Г. Жуков(72) A.V. Saveliev, N.A. Saveliev, A.A. Kolesnikov and A.G. Zhukov

(53)681.333(088.8)(53) 681.333 (088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР V 963003, кл. G 06 G 7/60, 1981.(56) USSR Author's Certificate V 963003, cl. G 06 G 7/60, 1981.

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА(54) DEVICE FOR MODELING NEURON

(57)Изобретение относитс  к устройствам медицинской техники и может быть использовано в частности при исследовании нервной системы методами моделировани . Пель изобретени  повышение достоверности моделировани  путем воспроизведени  реакции медиатора при специЛических видах реакции нейрона. Поставленна  цель достигаетс  гем, что в известное устройство дл  моделировани  нейрона дополнительно введены первый преобразователь 14 частоты в напр жение, компаратор 15, второй преобразователь 16 частоты в напр жение, релейный элемент 17. Предложенное соединение дополнительно введенных элементов позвол ет воспроизводить тонкие нейроЛизнологичес- кие механизмы ответов реальных биологических нейронов и расширить функциональные возможности устройства. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.(57) The invention relates to devices of medical technology and can be used in particular in the study of the nervous system using modeling techniques. Pel of the invention increases the reliability of modeling by reproducing the response of a mediator in specific types of neuron response. This goal is achieved by haem, that the first frequency converter 14 to voltage, the comparator 15, the second frequency converter 16 to voltage, the relay element 17 are additionally introduced into the known device for modeling the neuron. The proposed connection of the additionally introduced elements allows the reproduction of thin neurophysiological mechanisms responses of real biological neurons and expand the functionality of the device. 1 hp ff, 1 ill.

сwith

$$

3164597331645973

Изобретение относитс  к устройствам едицинской техники и может быть исользовано , в частности, при исслеовании нервной системы методами моелировани  „The invention relates to devices of medical technology and can be used, in particular, in the study of the nervous system using the methods of watering

Цель изобретени  - повышение дотоверности моделировани  путем восроизведени  реакции медиатора при пецифических видах реакции нен10The purpose of the invention is to increase the modeling tolerance by reproducing the response of the mediator in the specific types of reaction n10

ме ди не ти ме зв ки ро на гд га зд на 1 вх вх со вы сб и ч к п л в -Д вх на зн вы ст ри ра 14 вы ры но же ну ра ци во им мо но пр ст ра ге те па 16 ко пр сл та ро маMe d o m u m iro ki gda gda zd on 1 in x in with you sb and h to p l in – D in on the level of 14 14 but you can also use it in the same way those pa 16 to pr sl ta ro ma

рона на внешнюю стимул цию,,Ron on external stimulation,

На чертеже изображена сЪункциональ- на  схема устройства дл  моделировани  нейрона.The drawing shows a functional diagram of a device for modeling a neuron.

Устройство дл  моделировани  нейрона содержит блоки 1 моделировани  синапсов, каждый из которых состоит из согласующего элемента 2 с последовательно соединенными элементом з задержки и масштабирующим элементом 4 аддитивный сумматор 5, блок 6 моделировани  вызванных постсинаптических потенциалов (ВПСП), состо щий из первого 7, второго 8 динамических звеньев , ключа 9 и второго сумматора 10, элемент 11 сравнени , блок 12 задани  порога, формирователь 13 выходных импульсов , первый преобразователь 14 частоты в напр жение, компаратор 15, второй преобразователь 16 частоты в напр жение и репейный элемент J7,The device for modeling a neuron contains synaptic modeling blocks 1, each of which consists of a matching element 2 with a series delayed element and a scaling element 4 an additive adder 5, a block 6 of simulated induced postsynaptic potentials (EPSP) consisting of the first 7, second 8 dynamic links, a key 9 and a second adder 10, a comparison element 11, a threshold setting unit 12, an output pulse shaper 13, a first frequency to voltage converter 14, a comparator 15, a second pre 16 photoelectret frequency voltage and burdock J7 element

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

На синаптические входы блоков 1, которыми  вл ютс  входы согласующих элементов 2, поступают входные возбуждающие и тормоз щие сигналы, -которые задерживаютс  в элементах 3, масштабируютс  по амплитуде в элементах 4, поступают на входы сумматора 5 и суммируютс  в нем с учетом знака. Суммарный сигнал поступает на вход блока 6 ВПСП, т.е. на входы первого 7 и второго 0 динамических звеньев . В исходном состо нии ключ 9 замкнут (при нуле на управл ющем входе ), в св зи с чем оба выхода звеньев подключены к входам второго сумматора 10. Динамические звень  7 и 8 обеспечивают временное суммирование поступающих с выхода сумматора 5 сигналов и преобразование их в вызванные постсинаптические потенциалы, причем параметры динамических звеньев идентифицируютс  на реальном объекте так, что динамика этого преобразовани  дл  звена 7 соответствует динамике ВПСП ацетилхолинового медиатора, а дл  звена 8 - динамике ВПСП, вызванныхSynaptic inputs of blocks 1, which are the inputs of matching elements 2, receive input excitatory and inhibitory signals, which are delayed in elements 3, are scaled by amplitude in elements 4, are fed to the inputs of adder 5 and summed in it taking into account the sign. The total signal is fed to the input of the EPSP unit 6, i.e. to the inputs of the first 7 and second 0 dynamic links. In the initial state, the key 9 is closed (with zero at the control input), in connection with which both outputs of the links are connected to the inputs of the second adder 10. Dynamic links 7 and 8 provide a temporary summation of the signals coming from the output of the adder 5 and converting them into postsynaptic potentials, with the parameters of dynamic links being identified on a real object so that the dynamics of this transformation for link 7 correspond to the dynamics of the APST acetylcholine mediator, and for link 8 to the dynamics of the EPSP caused

00

5five

00

5five

00

00

5five

00

медиатором нехолинергического типа, динамика преобразовани  в котором несводима к динамическим характеристикам высвобождени  холинергического медиатора, т.е. к характеристикам звена 7, Сигналы с выходов динамических звеньев 7 и 8, суммиру сь во втором сумматоре, поступают с его выхода на первый вход элемента 11 сравнени , где сравниваютс  с напр жением порога , поступающим с выхода блока 12 здани  порога и, если они превышают напр жение порога, на выходе элемента 11 сравнени  по вл етс  разность его входных напр жений, поступающа  на вход формировател  13 выходных импульсов , генерирующего спайк. При этом выходной импульс поступает на входы сброса динамических звеньев 7 и 8 и сбрасывает вызванные постсинапти- ческие потенциалы путем разр да их конденсаторных элементов. Процессы повтор ютс , и на выходе формировател  13 наблюдаетс  импульсна  последовательность спайков.Кроме того,после- -Диьательноетьспайков поступает на вход преобразовател  14 частоты в напр жение, где выдел етс  среднее значение текущей частоты следовани  выходных спайков. Это напр жение поступает на вход компаратора 15, генерирующего пр моугольный импульс вс кий раз, корда напр жение с выхода блока 14 становитс  равным нулю. Если на выходе устройства происходит непрерывна  генераци  спайков (с посто нной или измен ющейс  частотой), напр жение на выходе блока 14 не равно нулю и импульсов на выходе компаратора 15 не наблюдаетс . Если же стимул ци  происходит таким образом, что приводит к генерированию нейроном пачек импульсов с чередующимис  периодами молчани , напр жение, пропорциональное частоте этих импульсов на выходе преобразовател  14, периодически достигает нул , что приводит вс кий раз к срабатыванию компаратора 15 и генеращги им определенной последовательности импульсов, которые поступают на вход второго преобразовател  16 частоты в напр жение, на выходе которого в результате наблюдаетс  напр жение , пропорциональное частоте следовани  этих импульсов. При достаточной частоте пачек разр дов нейрона начина  с определенной максимальной величины интервала молчани mediator of the non cholinergic type, the dynamics of transformation in which is not reducible to the dynamic characteristics of the release of the cholinergic mediator, i.e. The characteristics of the link 7, the signals from the outputs of the dynamic links 7 and 8, summed in the second adder, come from its output to the first input of the comparison element 11, where they are compared with the voltage of the threshold coming from the output of the building block 12 of the threshold and, if they exceed threshold voltage, at the output of the comparison element 11, the difference of its input voltages appears, which is fed to the input of the imaging unit 13 output pulses, generating a spike. In this case, the output pulse arrives at the reset inputs of the dynamic links 7 and 8 and resets the induced postsynaptic potentials by discharging their capacitor elements. The processes are repeated, and a pulse sequence of spikes is observed at the output of the imager 13. Furthermore, after-heat spikes enter the input of the frequency converter 14 to a voltage where the average value of the current frequency of the output spikes is selected. This voltage is fed to the input of the comparator 15, which generates a rectangular pulse every time, the cord voltage from the output of unit 14 becomes zero. If the output of the device is continuously generating spikes (with a constant or varying frequency), the voltage at the output of block 14 is not zero and no pulses at the output of comparator 15 are observed. If the stimulation occurs in such a way that a neuron generates a burst of pulses with alternating periods of silence, the voltage proportional to the frequency of these pulses at the output of the transducer 14 periodically reaches zero, which causes the comparator 15 to respond and generate a certain sequence pulses that are fed to the input of the second frequency converter 16 to a voltage, the output of which results in a voltage proportional to the frequency of these pulses owls With a sufficient frequency of packs of neuron discharges starting from a certain maximum value of the silence interval

между пачками напр жение, поступающее с выхода второго преобразовател  16 на вход релейного элемента 17, превышает порог срабатывани  последнего и на его выходе возникает сигнат i. Это приводит к размыканию ключа 9„ Преобразование суммарного сигнала синаптических входов с выхода сумматора 5 в ВПСП производитс  только звеном 8, моделирующим динамику не- холинергическкх механизмов экэоцито- за. Параметры звена идентифицируютс  по конкретному биологическому объекту в данном режиме стимул ции. При пере- ходе к непрерывной стимул ции (интервал между пачками сокращаетс  до некоторого минимального, соответствующего разрешающей способности устройства ) вновь включаетс  звено 7 замыканием ключа 9 под действием нулевого сигнала с выхода релейного элемента 17, что соответствует включению холи- нергических механизмов экзоцнтоза. Устройство возвращаетс  в исходное состо ние оbetween the bursts, the voltage coming from the output of the second converter 16 to the input of the relay element 17 exceeds the response threshold of the latter, and a signature i appears at its output. This leads to the opening of the key 9. The conversion of the total signal of the synaptic inputs from the output of the adder 5 to the EPSP is performed only by the link 8, which simulates the dynamics of non-cholinergic mechanisms of ecocytosis. Link parameters are identified by a specific biological object in a given stimulation mode. During the transition to continuous stimulation (the interval between the packs is reduced to a certain minimum corresponding to the resolution of the device), the link 7 is switched on by closing the key 9 under the action of a zero signal from the output of the relay element 17, which corresponds to the inclusion of the cholinergic mechanisms of exointeraction. The device returns to its original state.

Claims (2)

1. Устройство дл  моделировани  нейрона, содержащее блоки моделировани  синапсов, состо щие из последовательно соединенных согласующих элементов , масштабирующих резисторов и элементов задержки, выходы которых  вл ютс  выходами блоков мод лировас  входы согласующих элементов, аддитивный сумматор, блок моделировани  вызванных постсинаптических потенциалов , элемент сравнени , блок задани  порога и (Ьормирователь импульсов , причем выходы блоков моделировани  синапсов соединены с входом аддитивного сумматора, выход которого соединен с первым входом блока моделировани  вызванных постсинаптических1. A device for simulating a neuron, containing synaptic modeling units, consisting of series-connected matching elements, scaling resistors and delay elements whose outputs are outputs of the modular blocks, matching inputs, an additive adder, a simulation module caused by postsynaptic potentials, comparison element the threshold setting unit and (pulse shaping device, the outputs of the synaptic modeling units are connected to the input of the additive adder, the output of which is a first input unit simulation induced postsynaptic 00 00 5five 00 потенциалов, выход которого соединен с пепвыи ьходом B.TWMT. сравч ни , выхо; которого соединил с вхгцгм формировател  импульсов ч блокам эгдаги  порога, выхол которого соегннен с вторым входлм элемента срат., выход формировател  импульсов  вл етс  выходом устройства к соединен с вторым входом блока моделировани  вызванн-дх постсинамтических потенциалов, о т- личающеес  тем, что, с целью повышени  достоверности моделировани  путем воспроизведени  реакции медиатора при спел;пфических видах реакции нейрона на внешнюю стимул цию, в чего введены последовательно сое- дикеннуе первый преобразователь час- тоты в напр жение, компаратор, второй преобразователь частоты в напр жение , релейный элемент, вход преобразовател  частоты в напр жение соединен с выходом формировател  вы- хопных импульсов, а выход релейного элемента соединен с третьим входом блока моделировани  вызванных постсинаптических потенциалов.potentials, the output of which is connected to the feed of B.TWMT. compare, exit; which connected with the generator of the pulse generator h to the Egdagi threshold blocks, whose output is compatible with the second input of the srat element, the output of the pulse shaper is the output of the device to connected to the second input of the modeling unit due to postsynmotic potentials, of which there are to increase the reliability of the simulation by reproducing the response of the mediator during a spell; peptic types of the neuron's response to external stimulation, in which the first frequency converter in voltage, comparator, second frequency converter to voltage, relay element, frequency converter to voltage input is connected to the output of the high-frequency driver, and the output of the relay element is connected to the third input of the modeling unit caused by postsynaptic potentials. 2. Устройство по п. 1, о т л и - чающеес  тем, что блок моделировани  вызванных постсинаптических потенциалов состоит из первого2. The device according to claim 1, about tl and - that the block of modeling of the induced postsynaptic potentials consists of the first сумматора, причем входы динамических звеньев  вл ютс  первым входом блока моделировани  вызванных постсннапти- ческих потенциалов, выход первого динамического звена соединен с первым входом сумматора через ключ, а выход второго динамического звена соединен с вторым входом сумматора, выход которого  вл етс  выходом блока моделировани  вызванных постсинаптических потенциалов, входы сброса динамических звеньев  вл ютс  вторым входом блока моделировани  постсинаптических потенциалов, третий вход которого соединен с управл ющим входом ключа.an adder, where the inputs of the dynamic links are the first input of the simulation unit caused by postsnaptic potentials, the output of the first dynamic link is connected to the first input of the adder via a key, and the output of the second dynamic link is connected to the second input of the adder, the output of which is the output of the simulation block caused by postsynaptic potentials, the reset inputs of the dynamic links are the second input of the postsynaptic potentials modeling unit, the third input of which is connected to the control input th key.