Simulateur du système nerveux. Partie 1. Additionneur simple

Bonjour, Geektimes! Je veux partager mon travail sur la création d'un système qui vous permet de modéliser les processus réflexes et cognitifs dans le système nerveux.

En partie, le système est incorporé dans un programme simple créé sur le moteur de jeu Unity3D. Il s'agit d'une sorte de simulateur du système nerveux, grâce auquel il est possible d'imiter non seulement des réflexes simples, mais aussi de démontrer divers phénomènes dans le système nerveux, tels que la dépendance, la sensibilisation et la formation de réflexes conditionnés. Il est également possible d'émuler la mémoire temporaire et à long terme ainsi que sa consolidation, ses émotions et son comportement émotionnel. De plus, à la fois des émotions simples, par exemple, la faim et la satiété, ainsi que des émotions plus complexes, telles que la curiosité, la peur ou l'affection. Grâce au système, nous aurons l'occasion de comprendre le but de diverses zones du cerveau, comment la reconnaissance des images visuelles se produit, comment la formation et l'évaluation émotionnelle de ce qui se passe.

J'ai l'intention de parler de tout cela dans une série d'articles et de vidéos. Les trois premiers articles sont consacrés aux bases, dans lesquels je parlerai des principales composantes du système - les neuroéléments.

Les principaux éléments du système sont - les neuroéléments. J'évite délibérément le nom de «neurone» parce qu'un neurone ne symbolise pas toujours un neurone biologique, mais peut dans certains cas être un analogue d'une partie d'un neurone biologique et, dans certains, d'un groupe de neurones. Mais la base d'un neuroélément est, bien sûr, un neurone biologique.

Le système peut distinguer trois principes de base du type de neuroéléments: un additionneur simple, un neuroélément modulé et un neuroélément associatif. Les neuroéléments sont divisés par la complexité, chaque neuroélément suivant a un nombre supplémentaire de propriétés. Cette séparation vous permet de mieux comprendre les principes du système et dans des exemples simples d'utiliser des neuroéléments plus simples.

L'élément neuronal le plus simple du système est un simple additionneur. Il s'agit d'un élément qui peut avoir des entrées et des sorties. De plus, il existe plusieurs types de connexions dans le système, premièrement, ce sont des signaux provenant de récepteurs, il y a un bloc de récepteurs bouton qui fonctionne en temps réel. Deuxièmement, les neuroéléments sont interconnectés via des synapses.



Les synapses sont de trois types: les synapses à action directe (ionotropes), les synapses modulantes (métabotropes) et les synapses de contact (efaps). Tous ces types de synapses ont des analogues dans le système nerveux biologique.

Les synapses d'action directe (a) sont caractérisées par leur force (F), qui est représentée dans le système comme un nombre réel. Le signe de ce nombre indique quelle synapse a un effet inhibiteur ou stimulant.
Tous les signaux sont traités en temps réel et peuvent entrer dans l'élément neuronal indépendamment les uns des autres, comme cela se produit dans un neurone biologique. Tout d'abord, les signaux de synapse à action directe pénètrent dans l'additionneur (b).



L'additionneur peut être représenté comme suit, il est similaire à un vaisseau dans lequel toutes les parties du médiateur sont collectées. Mais avec la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique du système nerveux biologique, son gaspillage continu se produit. Le neurotransmetteur de la fente synaptique est détruit par une enzyme spéciale; il peut être absorbé par la synapse ou dépasser la fente synaptique. Par conséquent, dans notre vaisseau, il y a une ouverture à cause de laquelle une diminution constante de la masse totale du neurotransmetteur (c) se produit. Paramètre D caractérisant le taux de déclin du module du total.

Si la masse totale du neurotransmetteur dépasse un certain seuil (g), alors l'activation du neuroélément se produit, mais si la partie du neurotransmetteur est inférieure au seuil, alors au fil du temps son niveau peut tomber à zéro et aucune activation ne se produira.

Pour les synapses à action directe, il existe deux types de neurotransmetteurs: stimulateur et inhibiteur. Dans le système, cela est déterminé par le signe de la force de la synapse. Et l'action des synapses de différents signes est mutuellement neutralisée. Le montant total peut être négatif, puis il augmentera à zéro à une vitesse définie.
Lorsqu'un élément neuronal est activé, il entre dans un état d'activité dans lequel il cesse de répondre aux signaux externes et, après un certain délai, active toutes ses synapses sortantes. De plus, comme un neurone biologique, un retard temporaire de récupération se produit dans un neuro-élément; pendant cette période de temps, le neuro-élément ne répond pas aux stimuli externes.
Les synapses de contact (h) activent un neuroélément s'il n'est pas en état actif ou en période de récupération. On peut dire que le signal des synapses de contact active un neuroélément, si c'est possible pour le moment, sinon il est ignoré.

Voyons comment fonctionnent les neuroéléments sur l'exemple du réflexe le plus simple: le réflexe du genou. Le réflexe de genou ne se compose que de trois neurones, le neurone récepteur reçoit un signal des récepteurs des tendons, puis transmet un signal au neurone d'insertion, puis le motoneurone transmet un signal au muscle extenseur.



Donc le réflexe regarde dans le programme:



Exemple avec freinage. Le neuroélément associé au récepteur "E" a un effet inhibiteur:



Un exemple du concours de réflexes (basé sur les travaux de Sechenov I.M.). Suppression mutuelle de deux réflexes différents:



Transformation du rythme d'excitation
Les impulsions uniques pour le système nerveux sont rares. Dans la plupart des cas, les signaux des récepteurs sont une série d'impulsions, et selon l'intensité de ces impulsions, nous pouvons parler du degré d'influence sur le récepteur. Plus les impulsions sont reproduites, plus l'effet exercé sur le récepteur est fort, plus la pression est forte s'il s'agit d'un récepteur de pression, plus la température est élevée s'il s'agit d'un récepteur de température, etc.

Et l'un des phénomènes observés dans le système nerveux est la transformation du rythme d'excitation - un changement de la fréquence des influx nerveux lors du passage à travers le centre nerveux.

À l'aide d'un neuroélément, il est possible d'augmenter la fréquence des impulsions nerveuses. Dans le cas où le niveau d'une seule exposition à un neuroélément est bien supérieur à son seuil d'activation et que le neuroélément parvient à fonctionner plusieurs fois avant que la valeur de l'additionneur ne descende à un niveau inférieur au seuil.

La réduction de la fréquence de pulsation des impulsions nerveuses est due à une augmentation du temps de repos du neuroélément, comme indiqué précédemment, pendant le repos, le neuroélément ne répond pas aux signaux externes.

Un exemple de conversion d'impulsions de rares à plus fréquentes. Dans ce cas, le niveau d'une seule exposition à un neuroélément est beaucoup plus élevé que son seuil d'activation et il parvient à fonctionner plusieurs fois avant que la valeur de l'additionneur ne descende à un niveau inférieur au seuil:



Un exemple de réduction de la fréquence des impulsions. Ici, cela est dû à une augmentation du temps de repos du neuroélément, comme je l'ai déjà noté, pendant le repos le neuroélément ne répond pas aux signaux externes:



sommation spatiale et temporelle Le



modèle présenté du neuroélément nous permet d'expliquer comment la sommation temporelle et spatiale dans un neurone biologique se produit. La sommation temporelle se manifeste dans le fait qu'un certain nombre d'impulsions sous-seuil de cette synapse, si ces impulsions se produisent assez souvent, peuvent conduire à l'activation des neurones. Cela est dû au fait que le taux de diminution du montant d'exposition peut être inférieur au taux de reconstitution de ce montant.



Dans les neurones biologiques, il existe un phénomène qui indique que la sommation est non seulement temporaire, mais aussi spatiale. Même si la somme des signaux de sous-seuil dépasse le seuil, mais que ces signaux arrivent aux synapses situées à une distance suffisante les unes des autres, alors l'activation peut ne pas se produire.



Un tel phénomène peut être modélisé à l'aide de plusieurs neuroéléments, par exemple, une dendrite peut correspondre à chaque neuroélément individuel.

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Source: https://habr.com/ru/post/fr397179/