Simulator des Nervensystems. Teil 1. Einfacher Addierer

Hallo Geektimes! Ich möchte meine Arbeit an der Schaffung eines Systems teilen, mit dem Sie Reflexe und kognitive Prozesse im Nervensystem modellieren können.

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Ich habe vor, darüber in einer Reihe von Artikeln und Videos zu sprechen. Die ersten drei Artikel sind den Grundlagen gewidmet, in denen ich über die Hauptkomponenten des Systems sprechen werde - Neuroelemente.

Die Hauptelemente des Systems sind - Neuroelemente. Ich vermeide bewusst den Namen „Neuron“, weil ein Neuron nicht immer ein biologisches Neuron symbolisiert, sondern in einigen Fällen ein Analogon eines Teils eines biologischen Neurons und in einigen Fällen einer Gruppe von Neuronen sein kann. Aber die Basis für ein Neuroelement ist natürlich ein biologisches Neuron.

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Es gibt drei Arten von Synapsen: direkt wirkende Synapsen (ionotrop), modulierende Synapsen (metabotrop) und Kontaktsynapsen (efaps). Alle diese Arten von Synapsen haben Analoga im biologischen Nervensystem.

Synapsen der direkten Wirkung (a) sind durch ihre Stärke (F) gekennzeichnet, die im System als reelle Zahl dargestellt wird. Das Vorzeichen dieser Zahl zeigt an, welche Synapse hemmend oder stimulierend wirkt.
Alle Signale werden in Echtzeit verarbeitet und können unabhängig voneinander in das neuronale Element eintreten, wie dies bei einem biologischen Neuron der Fall ist. Zunächst treten direkt wirkende Synapsensignale in den Addierer ein (b).



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Für direkt wirkende Synapsen gibt es zwei Arten von Neurotransmittern: stimulierende und hemmende. Im System wird dies durch das Vorzeichen der Stärke der Synapse bestimmt. Und die Wirkung von Synapsen unterschiedlicher Zeichen wird gegenseitig neutralisiert. Der Gesamtbetrag kann negativ sein und steigt dann bei einer festgelegten Geschwindigkeit auf Null an.
Wenn ein neuronales Element aktiviert wird, tritt es in einen Aktivitätszustand ein, in dem es nicht mehr auf externe Signale reagiert und nach einer bestimmten Zeitverzögerung alle ausgehenden Synapsen aktiviert. Ferner tritt wie bei einem biologischen Neuron in einem Neuroelement eine vorübergehende Verzögerung der Erholung auf, während dieser Zeit reagiert das Neuroelement nicht auf externe Reize.
Kontaktsynapsen (h) aktivieren ein Neuroelement, wenn es sich nicht in einem aktiven Zustand befindet oder sich in der Erholungsphase befindet. Man kann sagen, dass das Signal von den Kontaktsynapsen ein Neuroelement aktiviert, wenn es momentan möglich ist, andernfalls wird es ignoriert.

Schauen wir uns an, wie Neuroelemente am Beispiel des einfachsten Reflexes funktionieren: des Kniereflexes. Der Knie-Ruck-Reflex besteht nur aus drei Neuronen, das Rezeptorneuron empfängt ein Signal von Sehnenrezeptoren, sendet dann ein Signal an das Insertionsneuron und das Motoneuron sendet dann ein Signal an den Streckmuskel.



Der Reflex sieht also im Programm aus:



Beispiel mit Bremsen. Das mit dem Rezeptor "E" assoziierte Neuroelement hat eine hemmende Wirkung:



Ein Beispiel für den Wettbewerb der Reflexe (basierend auf den Werken von Sechenov I.M.). Gegenseitige Unterdrückung zweier unterschiedlicher Reflexe:



Transformation des Erregungsrhythmus.
Einzelimpulse für das Nervensystem sind selten. In den meisten Fällen sind Signale von Rezeptoren eine Reihe von Impulsen, und je nach Intensität dieser Impulse können wir vom Grad des Einflusses auf den Rezeptor sprechen. Je öfter Impulse reproduziert werden, desto stärker ist die auf den Rezeptor ausgeübte Wirkung, desto stärker ist der Druck, wenn es sich um einen Druckrezeptor handelt, desto höher ist die Temperatur, wenn es sich um einen Temperaturrezeptor usw. handelt.

Und eines der beobachteten Phänomene im Nervensystem ist die Transformation des Erregungsrhythmus - eine Änderung der Frequenz von Nervenimpulsen beim Durchgang durch das Nervenzentrum.

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Ein Beispiel für die Reduzierung der Impulsfrequenz. Dies ist hier auf eine Verlängerung der Ruhezeit des Neuroelements zurückzuführen, wie ich bereits bemerkt habe. Während der Ruhezeit reagiert das Neuroelement nicht auf externe Signale:



Räumliche und zeitliche Summierung Das



vorgestellte Modell des Neuroelements ermöglicht es uns zu erklären, wie die zeitliche und räumliche Summierung in einem biologischen Neuron auftritt. Die zeitliche Summierung manifestiert sich in der Tatsache, dass eine Reihe von Impulsen unterhalb der Schwelle aus dieser Synapse, wenn diese Impulse häufig genug auftreten, zur Aktivierung von Neuronen führen können. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Abnahmerate der Expositionsmenge geringer sein kann als die Auffüllrate dieser Menge.



In biologischen Neuronen gibt es ein Phänomen, das darauf hinweist, dass die Summierung nicht nur vorübergehend, sondern auch räumlich ist. Selbst wenn die Summe der Unterschwellensignale den Schwellenwert überschreitet, diese Signale jedoch an den Synapsen ankommen, die sich in ausreichendem Abstand voneinander befinden, erfolgt möglicherweise keine Aktivierung.



Ein solches Phänomen kann unter Verwendung mehrerer Neuroelemente modelliert werden, beispielsweise kann ein Dendrit jedem einzelnen Neuroelement entsprechen.