Simulator sistem saraf. Bagian 1. Penambah sederhana

Halo, Geektimes! Saya ingin berbagi pekerjaan saya tentang menciptakan sistem yang memungkinkan Anda untuk memodelkan proses refleks dan kognitif dalam sistem saraf.

Sebagian, sistem diwujudkan dalam program sederhana yang dibuat pada mesin permainan Unity3D. Ini adalah semacam simulator dari sistem saraf, berkat itu dimungkinkan untuk meniru tidak hanya refleks sederhana, tetapi juga untuk menunjukkan berbagai fenomena dalam sistem saraf, seperti kecanduan, kepekaan dan pembentukan refleks terkondisi. Dimungkinkan juga untuk meniru ingatan sementara dan jangka panjang dan konsolidasi, emosi dan perilaku emosional. Selain itu, baik emosi sederhana, misalnya, lapar dan kenyang, serta yang lebih kompleks, seperti rasa ingin tahu, ketakutan, atau kasih sayang. Berkat sistem ini, kita akan memiliki kesempatan untuk memahami tujuan berbagai bidang otak, dalam bagaimana pengenalan gambar visual terjadi, bagaimana pelatihan dan penilaian emosional tentang apa yang terjadi.

Saya berencana untuk membicarakan semua ini dalam serangkaian artikel dan video. Tiga artikel pertama dikhususkan untuk dasar-dasar, di mana saya akan berbicara tentang komponen utama sistem - neuroelements.

Elemen utama sistem adalah - neuroelements. Saya sengaja menghindari nama "neuron" karena neuron tidak selalu melambangkan neuron biologis, tetapi dalam beberapa kasus mungkin merupakan analog dari beberapa bagian dari neuron biologis, dan dalam beberapa kasus sekelompok neuron. Tetapi dasar untuk neuroelement, tentu saja, adalah neuron biologis.

Sistem ini dapat membedakan tiga dasar dari jenis neuroelements: penambah sederhana, neuroelement termodulasi, dan neuroelement asosiatif. Neuroelements dibagi oleh kompleksitas, setiap neuroelement berikutnya memiliki sejumlah properti tambahan. Pemisahan ini memungkinkan Anda untuk lebih memahami prinsip-prinsip sistem dan dalam contoh sederhana untuk menggunakan neuroelements yang lebih sederhana.

Elemen saraf paling sederhana dalam sistem adalah penambah sederhana. Ini adalah elemen yang dapat memiliki input dan output. Selain itu, ada beberapa jenis koneksi dalam sistem, pertama, ini adalah sinyal dari reseptor, ada blok reseptor tombol yang bekerja secara real time. Kedua, neuroelements saling terhubung melalui sinapsis.



Ada tiga jenis sinapsis: sinapsis kerja langsung (ionotropik), sinapsis aksi-modulasi (metabotropik) dan sinapsis kontak (efaps). Semua jenis sinapsis ini memiliki analog dalam sistem saraf biologis.

Sinapsis aksi langsung (a) dicirikan oleh kekuatannya (F), yang direpresentasikan dalam sistem sebagai bilangan real. Tanda angka ini menunjukkan sinaps mana yang memiliki efek penghambatan atau stimulasi.
Semua sinyal diproses secara real time, dan dapat memasuki elemen saraf secara independen satu sama lain, seperti yang terjadi pada neuron biologis. Pertama-tama, sinyal sinapsis kerja langsung masuk ke adder (b).



Adder dapat direpresentasikan sebagai berikut, mirip dengan kapal tempat semua bagian mediator dikumpulkan. Tetapi dengan pelepasan neurotransmitter ke celah sinaptik dalam sistem saraf biologis, pemborosan terus-menerus terjadi. Neurotransmitter dalam celah sinaptik dihancurkan oleh enzim khusus, dapat diserap kembali oleh sinaps atau melampaui celah sinaptik. Oleh karena itu, dalam pembuluh darah kami terdapat celah yang karenanya ada penurunan konstan total massa neurotransmitter (c). Parameter D mencirikan tingkat penurunan modulus total.

Jika massa total neurotransmitter melebihi ambang tertentu (g), maka aktivasi neuroelement terjadi, tetapi jika porsi neurotransmitter kurang dari ambang, maka seiring waktu levelnya mungkin turun ke nol dan tidak ada aktivasi yang akan terjadi.

Untuk sinapsis kerja-langsung, ada dua jenis neurotransmiter: stimulasi dan penghambatan. Dalam sistem, ini ditentukan oleh tanda kekuatan sinaps. Dan aksi sinapsis dari tanda-tanda yang berbeda dinetralkan bersama. Jumlah total mungkin negatif, maka akan meningkat menjadi nol pada kecepatan yang ditetapkan.
Ketika elemen saraf diaktifkan, ia memasuki keadaan aktivitas di mana ia berhenti merespons sinyal eksternal dan setelah waktu tunda tertentu mengaktifkan semua sinaps keluarnya. Lebih lanjut, seperti neuron biologis, keterlambatan sementara dalam pemulihan terjadi dalam neuroelement, selama periode waktu ini, neuroelement tidak merespons rangsangan eksternal.
Kontak sinapsis (h) mengaktifkan neuroelement jika tidak dalam keadaan aktif atau dalam periode pemulihan. Dapat dikatakan bahwa sinyal dari sinapsis kontak mengaktifkan neuroelement, jika memungkinkan saat ini, jika tidak maka diabaikan.

Mari kita lihat bagaimana neuroelements bekerja pada contoh refleks paling sederhana: refleks lutut. Refleks spontan hanya terdiri dari tiga neuron, neuron reseptor menerima sinyal dari reseptor tendon, kemudian mentransmisikan sinyal ke neuron penyisipan dan kemudian motor neuron mentransmisikan sinyal ke otot ekstensor.



Jadi refleks terlihat di program:



Contoh dengan pengereman. Neuroelement yang terkait dengan reseptor "E" memiliki efek penghambatan:



Contoh kompetisi refleks (berdasarkan karya Sechenov I.M.). Penindasan timbal balik dari dua refleks yang berbeda:



Transformasi irama eksitasi ..
Impuls tunggal untuk sistem saraf jarang terjadi. Dalam kebanyakan kasus, sinyal dari reseptor adalah serangkaian impuls, dan sesuai dengan intensitas impuls ini, kita dapat berbicara tentang tingkat pengaruh pada reseptor. Semakin sering impuls direproduksi, semakin kuat efek yang diberikan pada reseptor, semakin kuat tekanan jika reseptor tekanan, semakin tinggi suhu jika reseptor suhu, dll.

Dan salah satu fenomena yang diamati dalam sistem saraf adalah transformasi irama eksitasi - perubahan frekuensi impuls saraf ketika melewati pusat saraf.

Dengan bantuan neuroelement, dimungkinkan untuk meningkatkan frekuensi impuls saraf. Dalam kasus ketika tingkat paparan tunggal pada neuroelement jauh lebih tinggi dari ambang aktivasi dan neuroelement berhasil bekerja beberapa kali sebelum nilai penambah berkurang ke tingkat yang lebih rendah daripada ambang batas.

Mengurangi frekuensi denyut impuls saraf disebabkan oleh peningkatan waktu istirahat neuroelement, seperti yang disebutkan sebelumnya, sedangkan istirahat neuroelement tidak merespons sinyal eksternal.

Contoh konversi impuls dari langka menjadi lebih sering. Dalam hal ini, tingkat paparan tunggal ke neuroelement jauh lebih tinggi dari ambang aktivasi dan mengelola beberapa kali sebelum nilai penambah turun ke tingkat yang lebih rendah daripada ambang batas:



Contoh mengurangi frekuensi pulsa. Di sini, ini disebabkan oleh peningkatan waktu istirahat neuroelement, seperti yang telah saya catat, selama sisanya neuroelement tidak menanggapi sinyal eksternal:



Penjumlahan spasial dan temporal



Model neuroelement yang disajikan memungkinkan kita untuk menjelaskan bagaimana penjumlahan temporal dan penjumlahan dalam neuron biologis terjadi. Penjumlahan temporal dimanifestasikan dalam kenyataan bahwa sejumlah impuls subthreshold dari sinaps ini, jika impuls ini cukup sering terjadi, dapat menyebabkan aktivasi neuron. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa tingkat penurunan jumlah paparan mungkin kurang dari tingkat pengisian kembali jumlah ini.



Dalam neuron biologis, ada fenomena yang menunjukkan bahwa penjumlahan tidak hanya bersifat sementara, tetapi juga bersifat spasial. Sekalipun jumlah sinyal subthreshold melebihi ambang, tetapi sinyal ini tiba di sinapsis yang terletak pada jarak yang cukup dari satu sama lain, maka aktivasi mungkin tidak terjadi.



Fenomena seperti itu dapat dimodelkan menggunakan beberapa neuroelements, misalnya, dendrit dapat sesuai dengan masing-masing neuroelement.

Daftar isi

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

Source: https://habr.com/ru/post/id397179/