Simulador del sistema nervioso. Parte 1. Sumador simple

Hola geektimes! Quiero compartir mi trabajo en la creación de un sistema que le permita modelar procesos reflejos y cognitivos en el sistema nervioso.

Parcialmente, el sistema está incorporado en un programa simple creado en el motor del juego Unity3D. Este es un tipo de simulador del sistema nervioso, gracias al cual es posible imitar no solo reflejos simples, sino también demostrar varios fenómenos en el sistema nervioso, como la adicción, la sensibilización y la formación de reflejos condicionados. También es posible emular la memoria temporal y a largo plazo y su consolidación, emociones y comportamiento emocional. Además, tanto las emociones simples, por ejemplo, el hambre y la saciedad, como las más complejas, como la curiosidad, el miedo o el afecto. Gracias al sistema, tendremos la oportunidad de comprender el propósito de varias áreas del cerebro, cómo se produce el reconocimiento de imágenes visuales, cómo se realiza el entrenamiento y la evaluación emocional de lo que está sucediendo.

Planeo hablar de todo esto en una serie de artículos y videos. Los primeros tres artículos están dedicados a los conceptos básicos, en los que hablaré sobre los componentes principales del sistema: los neuroelementos.

Los principales elementos del sistema son: neuroelementos. Deliberadamente evito el nombre de "neurona" porque una neurona no siempre simboliza una neurona biológica, pero en algunos casos puede ser un análogo de alguna parte de una neurona biológica, y en algunos, un grupo de neuronas. Pero la base de un neuroelemento es, por supuesto, una neurona biológica.

El sistema puede distinguir tres elementos básicos del tipo de neuroelementos: un sumador simple, un neuroelemento modulado y un neuroelemento asociativo. Los neuroelementos se dividen por complejidad, cada neuroelemento posterior tiene un número adicional de propiedades. Esta separación le permite comprender mejor los principios del sistema y, en ejemplos simples, utilizar neuroelementos más simples.

El elemento neural más simple en el sistema es un sumador simple. Este es un elemento que puede tener entradas y salidas. Además, hay varios tipos de conexiones en el sistema, en primer lugar, estas son señales de los receptores, hay un bloque de receptores de botón que funcionan en tiempo real. En segundo lugar, los neuroelementos están interconectados a través de sinapsis.



Las sinapsis son de tres tipos: sinapsis de acción directa (ionotrópicas), sinapsis moduladoras (metabotrópicas) y sinapsis de contacto (efaps). Todos estos tipos de sinapsis tienen análogos en el sistema nervioso biológico.

Las sinapsis de acción directa (a) se caracterizan por su fuerza (F), que se representa en el sistema como un número real. El signo de este número indica qué sinapsis tiene un efecto inhibidor o estimulante.
Todas las señales se procesan en tiempo real y pueden ingresar al elemento neural independientemente una de la otra, como sucede en una neurona biológica. En primer lugar, las señales de sinapsis de acción directa ingresan al sumador (b).



El sumador se puede representar de la siguiente manera, es similar a un recipiente en el que se recogen todas las porciones del mediador. Pero con la liberación del neurotransmisor en la hendidura sináptica en el sistema nervioso biológico, se produce su desperdicio continuo. El neurotransmisor en la hendidura sináptica es destruido por una enzima especial; puede ser absorbido por la sinapsis o ir más allá de la hendidura sináptica. Por lo tanto, en nuestro vaso hay una abertura debido a la cual hay una disminución constante en la masa total del neurotransmisor (c). Parámetro D que caracteriza la tasa de disminución en el módulo del total.

Si la masa total del neurotransmisor supera un cierto umbral (g), se produce la activación del neuroelemento, pero si la porción del neurotransmisor es menor que el umbral, con el tiempo su nivel puede caer a cero y no se producirá ninguna activación.

Para las sinapsis de acción directa, hay dos tipos de neurotransmisores: estimulantes e inhibidores. En el sistema, esto está determinado por el signo de la fuerza de la sinapsis. Y la acción de las sinapsis de diferentes signos se neutraliza mutuamente. La cantidad total puede ser negativa, luego aumentará a cero a una velocidad establecida.
Cuando se activa un elemento neural, entra en un estado de actividad en el que deja de responder a las señales externas y, después de un cierto tiempo de retraso, activa todas sus sinapsis salientes. Además, como una neurona biológica, se produce un retraso temporal en la recuperación en un neuroelemento; durante este período de tiempo, el neuroelemento no responde a estímulos externos.
Las sinapsis de contacto (s) de activación neyroelement si no está en estado activo o en un período de recuperación. Se puede decir que la señal de las sinapsis de contacto activa un neuroelemento, si es posible en este momento, de lo contrario se ignora.

Veamos cómo funcionan los neuroelementos en el ejemplo del reflejo más simple: el reflejo de la rodilla. El reflejo de la rodilla consta de solo tres neuronas, la neurona receptora recibe una señal de los receptores tendinosos, luego transmite una señal a la neurona de inserción y luego la neurona motora transmite una señal al músculo extensor.



Aparece así que reflejas en el programa:



El ejemplo de la frenada. El neuroelemento asociado con el receptor "E" tiene un efecto inhibitorio:



Un ejemplo de la competencia de reflejos (basado en los trabajos de Sechenov I.M.). Supresión mutua de dos reflejos diferentes:



transformación del ritmo de excitación.
Los impulsos únicos para el sistema nervioso son raros. En la mayoría de los casos, las señales de los receptores son una serie de impulsos, y de acuerdo con la intensidad de estos impulsos, podemos hablar del grado de influencia sobre el receptor. Cuanto más a menudo se reproducen los impulsos, cuanto más fuerte es el efecto ejercido sobre el receptor, más fuerte es la presión si es un receptor de presión, mayor es la temperatura si es un receptor de temperatura, etc.

Y uno de los fenómenos observados en el sistema nervioso es la transformación del ritmo de excitación, un cambio en la frecuencia de los impulsos nerviosos al pasar por el centro nervioso.

Con la ayuda de un neuroelemento es posible aumentar la frecuencia de los impulsos nerviosos. En el caso en que el nivel de una sola exposición a un neuroelemento es mucho más alto que su umbral de activación y el neuroelemento logra trabajar varias veces antes de que el valor del sumador disminuya a un nivel más bajo que el umbral.

La reducción de la frecuencia de pulsación de los impulsos nerviosos se debe a un aumento en el tiempo de reposo del neuroelemento, como se señaló anteriormente, mientras que el reposo del neuroelemento no responde a señales externas.

Un ejemplo de la conversión de impulsos de raro a más frecuente. En este caso, el nivel de una sola exposición a un neuroelemento es mucho más alto que su umbral de activación y logra funcionar varias veces antes de que el valor del sumador caiga a un nivel inferior al umbral:



Un ejemplo de reducción de la frecuencia de pulsos. Aquí, esto se debe a un aumento en el tiempo de reposo del neuroelemento, como ya he señalado, durante el resto el neuroelemento no responde a señales externas:



suma espacial y temporal El



modelo presentado del neuroelemento nos permite explicar cómo ocurre la suma temporal y espacial en una neurona biológica. La suma temporal se manifiesta en el hecho de que una serie de impulsos por debajo del umbral de esta sinapsis, si estos impulsos ocurren con suficiente frecuencia, pueden conducir a la activación de las neuronas. Esto se debe al hecho de que la tasa de disminución en la cantidad de exposición puede ser menor que la tasa de reposición de esta cantidad.



En las neuronas biológicas, hay un fenómeno que indica que la suma no solo es temporal, sino también de naturaleza espacial. Incluso si la suma de las señales subliminales excede el umbral, pero estas señales llegan a las sinapsis ubicadas a una distancia suficiente entre sí, entonces la activación puede no ocurrir.



Tal fenómeno se puede modelar usando varios neuroelementos, por ejemplo, una dendrita puede corresponder a cada neuroelemento individual.

Tabla de contenidos

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Source: https://habr.com/ru/post/es397179/