محاكي الجهاز العصبي. الجزء 1. جامع بسيط

مرحبًا Geektimes! أريد أن أشارك عملي في إنشاء نظام يسمح لك بنمذجة العمليات المنعكسة والمعرفية في الجهاز العصبي.

جزئيا ، يتم تضمين النظام في برنامج بسيط تم إنشاؤه على محرك لعبة Unity3D. هذا هو نوع من محاكاة الجهاز العصبي ، والذي بفضله يمكن تقليد ليس فقط ردود الفعل البسيطة ، ولكن أيضًا لإظهار الظواهر المختلفة في الجهاز العصبي ، مثل الإدمان والتوعية وتشكيل ردود الفعل المشروطة. من الممكن أيضًا محاكاة الذاكرة المؤقتة وطويلة الأمد وتوطيدها ، والعواطف والسلوك العاطفي. علاوة على ذلك ، كل من العواطف البسيطة ، على سبيل المثال ، الجوع والشبع ، بالإضافة إلى المشاعر الأكثر تعقيدًا ، مثل الفضول أو الخوف أو المودة. بفضل النظام ، ستتاح لنا الفرصة لفهم الغرض من مناطق مختلفة من الدماغ ، في كيفية حدوث التعرف على الصور المرئية ، وكيف التدريب والتقييم العاطفي لما يحدث.

أخطط للحديث عن كل هذا في سلسلة من المقالات ومقاطع الفيديو. تم تخصيص المقالات الثلاثة الأولى للأساسيات ، حيث سأتحدث عن المكونات الرئيسية للنظام - العناصر العصبية.

العناصر الرئيسية للنظام - العناصر العصبية. أتجنب عن عمد اسم "الخلايا العصبية" لأن العصبون لا يرمز دائمًا للخلايا العصبية البيولوجية ، ولكن قد يكون في بعض الحالات نظيرًا لجزء من الخلايا العصبية البيولوجية ، وفي بعض الحالات ، مجموعة من الخلايا العصبية. لكن أساس العنصر العصبي هو ، بالطبع ، عصبون بيولوجي.

يمكن للنظام أن يميز ثلاثة أساسيات لنوع العناصر العصبية: أخصائي بسيط ، وعصب عصبي معدل ، وعنصر عصبي ارتباطي. تنقسم العناصر العصبية حسب التعقيد ، لكل عنصر عصبي لاحق عدد إضافي من الخصائص. يسمح لك هذا الفصل بفهم مبادئ النظام بشكل أفضل وفي أمثلة بسيطة لاستخدام العناصر العصبية الأبسط.

إن أبسط عنصر عصبي في النظام هو مُعلِق بسيط. هذا عنصر يمكن أن يكون له مدخلات ومخرجات. علاوة على ذلك ، هناك عدة أنواع من الاتصالات في النظام ، أولاً ، هذه إشارات من المستقبلات ، هناك كتلة من مستقبلات الأزرار تعمل في الوقت الفعلي. ثانياً ، ترتبط العناصر العصبية ببعضها البعض من خلال المشابك العصبية.



تتشابك المشابك مع ثلاثة أنواع: المشابك المتفاعلة مباشرة (المؤثرات الأيونية) ، والمشابك المعدلة (الاستقلابية) والمشابك العصبية للاتصال (المشابك). كل هذه المشابك لها نظائرها في الجهاز العصبي البيولوجي.

تتميز نقاط الاشتباك المباشر للعمل المباشر (أ) بقوتها (F) ، والتي يتم تمثيلها في النظام كعدد حقيقي. تشير علامة هذا الرقم إلى المشبك الذي له تأثير مثبط أو محفز.
تتم معالجة جميع الإشارات في الوقت الفعلي ، ويمكن أن تدخل العنصر العصبي بشكل مستقل عن بعضها البعض ، كما يحدث في الخلايا العصبية البيولوجية. بادئ ذي بدء ، تدخل إشارات المشبك ذات المفعول المباشر إلى المُعلن (ب).



يمكن تمثيل المُصمم على النحو التالي ، فهو مشابه للسفينة التي يتم فيها تجميع جميع أجزاء الوسيط. ولكن مع إطلاق الناقل العصبي في الشق المشبكي في الجهاز العصبي البيولوجي ، يحدث نفاياته المستمرة. يتم تدمير الناقل العصبي في الشق المشبكي بواسطة إنزيم خاص ؛ يمكن امتصاصه مرة أخرى عن طريق المشبك أو تجاوز الشق المشبكي. لذلك ، هناك فتحة في وعاءنا بسبب انخفاض مستمر في الكتلة الإجمالية للناقل العصبي (ج). المعلمة D التي تصف معدل الانخفاض في معامل الإجمالي.

إذا تجاوزت الكتلة الإجمالية للناقل العصبي عتبة معينة (ز) ، فعندئذ يحدث تنشيط العنصر العصبي ، ولكن إذا كان جزء الناقل العصبي أقل من العتبة ، فقد ينخفض ​​مستواه بمرور الوقت إلى الصفر ولن يحدث أي تنشيط.

بالنسبة للمشابك ذات المفعول المباشر ، هناك نوعان من الناقلات العصبية: التحفيز والمثبط. في النظام ، يتم تحديد ذلك من خلال علامة قوة المشبك. ويتم تحييد عمل متشابكات العلامات المختلفة بشكل متبادل. قد يكون المبلغ الإجمالي سالبًا ، ثم سيرتفع إلى الصفر بسرعة محددة.
عندما يتم تنشيط عنصر عصبي ، فإنه يدخل في حالة نشاط حيث يتوقف عن الاستجابة للإشارات الخارجية وبعد فترة زمنية معينة ينشط جميع نقاط الاشتباك الصادرة. علاوة على ذلك ، مثل العصبون البيولوجي ، يحدث تأخير مؤقت في التعافي في عنصر عصبي ؛ خلال هذه الفترة الزمنية ، لا يستجيب العنصر العصبي للمحفزات الخارجية.
تشابك نقاط الاتصال (ح) تنشط العناصر العصبية إذا لم تكن في حالة نشطة أو في فترة الاسترداد. يمكن القول أن إشارة من جهة اتصال متشابك ينشط عنصر عصبي ، إذا كان ذلك ممكنًا في الوقت الحالي ، وإلا يتم تجاهله.

دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل العناصر العصبية على مثال أبسط منعكس: منعكس الركبة. يتكون منعكس الركض من ثلاث خلايا عصبية فقط ، يتلقى العصبون المستقبلات إشارة من مستقبلات الأوتار ، ثم ينقل إشارة إلى العصبون المدخل ، ثم ينقل العصبون الحركي إشارة إلى العضلة الباسطة.



لذا فإن المنعكس يبدو في البرنامج:



مثال على الكبح. العنصر العصبي المرتبط بمستقبل "E" له تأثير مثبط:



( ..). :




. , . , , , , , , ..

, – .

بمساعدة عنصر عصبي ، من الممكن زيادة وتيرة النبضات العصبية. في الحالة التي يكون فيها مستوى التعرض المفرد لعنصر عصبي أعلى بكثير من عتبة التنشيط ويدير العنصر العصبي العمل عدة مرات قبل أن تنخفض قيمة المُلتصق إلى مستوى أقل من العتبة.

يرجع الحد من تكرار نبضات النبضات العصبية إلى زيادة وقت الراحة للعصب العصبي ، كما لوحظ سابقًا ، في حين لا يستجيب العنصر العصبي للإشارات الخارجية.

مثال على تحويل النبضات من نادرة إلى أكثر تواترا. في هذه الحالة ، يكون مستوى التعرض الفردي لعنصر عصبي أعلى بكثير من عتبة التنشيط الخاصة به ، ويمكنه العمل عدة مرات قبل أن تنخفض قيمة المُلتزم إلى مستوى أقل من العتبة:



مثال على تقليل تكرار النبضات. هنا ، يرجع ذلك إلى زيادة وقت الراحة للعصب العصبي ، كما أشرت بالفعل ، خلال الفترة المتبقية لا يستجيب العنصر العصبي للإشارات الخارجية:



الجمع المكاني والزمني



يسمح لنا النموذج المقدم للعنصر العصبي بشرح كيفية حدوث الجمع الزماني والمكاني في الخلايا العصبية البيولوجية. يتجلى الجمع الزمني في حقيقة أن عددًا من النبضات دون العتبة من هذا المشبك ، إذا حدثت هذه النبضات في كثير من الأحيان ، يمكن أن تؤدي إلى تنشيط الخلايا العصبية. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن معدل الانخفاض في مقدار التعرض قد يكون أقل من معدل تجديد هذا المبلغ.



في الخلايا العصبية البيولوجية ، هناك ظاهرة تشير إلى أن الجمع ليس مؤقتًا فحسب ، بل أيضًا مكاني بطبيعته. حتى إذا تجاوز مجموع إشارات العتبة الدنيا العتبة ، ولكن هذه الإشارات تصل إلى المشابك الموجودة على مسافة كافية من بعضها البعض ، فقد لا يحدث التنشيط.



يمكن نمذجة هذه الظاهرة باستخدام العديد من العناصر العصبية ، على سبيل المثال ، يمكن أن تتوافق التغصنات مع كل عنصر عصبي فردي.

جدول المحتويات

1. . 1.
2. . 2.
3. . 3.
4. ,
5.
6.
7.

Source: https://habr.com/ru/post/ar397179/