Simulador do sistema nervoso. Parte 1. Adicionador simples

Olá, Geektimes! Quero compartilhar meu trabalho na criação de um sistema que permita modelar processos reflexos e cognitivos no sistema nervoso.

Parcialmente, o sistema é incorporado em um programa simples criado no mecanismo de jogo Unity3D. É uma espécie de simulador do sistema nervoso, graças ao qual é possível imitar não apenas reflexos simples, mas também demonstrar vários fenômenos no sistema nervoso, como dependência, sensibilização e formação de reflexos condicionados. Também é possível emular a memória temporária e de longo prazo e sua consolidação, emoções e comportamento emocional. Além disso, tanto emoções simples, por exemplo, fome e saciedade, quanto emoções mais complexas, como curiosidade, medo ou afeto. Graças ao sistema, teremos a oportunidade de entender o objetivo de várias áreas do cérebro, como ocorre o reconhecimento de imagens visuais, como o treinamento e a avaliação emocional do que está acontecendo.

Eu pretendo falar sobre tudo isso em uma série de artigos e vídeos. Os três primeiros artigos são dedicados ao básico, no qual falarei sobre os principais componentes do sistema - neuroelementos.

Os principais elementos do sistema são - neuroelementos. Eu evito deliberadamente o nome "neurônio" porque um neurônio nem sempre simboliza um neurônio biológico, mas em alguns casos pode ser um análogo de alguma parte de um neurônio biológico e, em alguns, de um grupo de neurônios. Mas a base para um neuroelemento é, é claro, um neurônio biológico.

O sistema pode distinguir três princípios básicos do tipo de neuroelementos: um somador simples, um neuroelemento modulado e um neuroelemento associativo. Os neuroelementos são divididos pela complexidade, cada neuroelemento subsequente possui um número adicional de propriedades. Essa separação permite entender melhor os princípios do sistema e, em exemplos simples, usar neuroelementos mais simples.

O elemento neural mais simples do sistema é um somador simples. Este é um elemento que pode ter entradas e saídas. Além disso, existem vários tipos de conexões no sistema; em primeiro lugar, são sinais de receptores; existe um bloco de receptores de botões que funcionam em tempo real. Em segundo lugar, os neuroelementos são interconectados através de sinapses.



As sinapses são de três tipos: sinapses de ação direta (ionotrópicas), sinapses moduladoras (metabotrópicas) e sinapses de contato (efaps). Todos esses tipos de sinapses têm análogos no sistema nervoso biológico.

As sinapses de ação direta (a) são caracterizadas por sua força (F), que é representada no sistema como um número real. O sinal deste número indica qual sinapse tem um efeito inibitório ou estimulante.
Todos os sinais são processados ​​em tempo real e podem entrar no elemento neural independentemente um do outro, como acontece em um neurônio biológico. Primeiro, os sinais de sinapse de ação direta entram no somador (b).



O somador pode ser representado da seguinte forma, é semelhante a um vaso no qual todas as partes do mediador são coletadas. Mas com a liberação do neurotransmissor na fenda sináptica no sistema nervoso biológico, ocorre seu desperdício contínuo. O neurotransmissor na fenda sináptica é destruído por uma enzima especial; pode ser absorvido pela sinapse ou ir além da fenda sináptica. Portanto, em nosso vaso há uma abertura devido à qual há uma diminuição constante na massa total do neurotransmissor (c). Parâmetro D que caracteriza a taxa de declínio no módulo do total.

Se a massa total do neurotransmissor exceder um determinado limite (g), a ativação do neuroelemento ocorre, mas se a porção do neurotransmissor for menor que o limite, com o tempo, seu nível poderá cair para zero e nenhuma ativação ocorrerá.

Para sinapses de ação direta, existem dois tipos de neurotransmissores: estimulatório e inibitório. No sistema, isso é determinado pelo sinal do poder da sinapse. E a ação das sinapses de diferentes sinais é mutuamente neutralizada. A quantidade total pode ser negativa e, em seguida, aumentará para zero a uma velocidade definida.
Quando um elemento neural é ativado, ele entra em um estado de atividade no qual deixa de responder a sinais externos e, após um certo tempo, ativa todas as sinapses de saída. Além disso, como um neurônio biológico, ocorre um atraso temporário na recuperação em um neuroelemento; durante esse período de tempo, o neuroelemento não responde a estímulos externos.
As sinapses de contato (h) ativam um neuroelemento se não estiver em um estado ativo ou no período de recuperação. Pode-se dizer que o sinal das sinapses do contato ativa um neuroelemento, se possível no momento, caso contrário, é ignorado.

Vejamos como os neuroelementos funcionam no exemplo do reflexo mais simples: o reflexo do joelho. O reflexo instintivo do joelho consiste em apenas três neurônios, o neurônio receptor recebe um sinal dos receptores tendinosos, transmite um sinal ao neurônio de inserção e, em seguida, o neurônio motor transmite um sinal ao músculo extensor.



Portanto, o reflexo aparece no programa:



Exemplo com frenagem. O neuroelemento associado ao receptor "E" tem um efeito inibitório:



Um exemplo da competição de reflexos (com base nos trabalhos de Sechenov I.M.). Supressão mútua de dois reflexos diferentes:



transformação do ritmo de excitação,
impulsos únicos para o sistema nervoso são raros. Na maioria dos casos, os sinais dos receptores são uma série de impulsos e, de acordo com a intensidade desses impulsos, podemos falar do grau de influência no receptor. Quanto mais os impulsos são reproduzidos, mais forte é o efeito exercido sobre o receptor, mais forte é a pressão se for um receptor de pressão, maior a temperatura se for um receptor de temperatura, etc.

E um dos fenômenos observados no sistema nervoso é a transformação do ritmo de excitação - uma alteração na frequência dos impulsos nervosos ao passar pelo centro nervoso.

Com a ajuda de um neuroelemento, é possível aumentar a frequência dos impulsos nervosos. No caso em que o nível de uma única exposição a um neuroelemento é muito superior ao seu limite de ativação e o neuroelemento consegue funcionar várias vezes antes que o valor do adicionador diminua para um nível inferior ao limite.

A redução da frequência de pulsação dos impulsos nervosos é devida a um aumento no tempo de repouso do neuroelemento, como observado anteriormente, enquanto o repouso do neuroelemento não responde a sinais externos.

Um exemplo da conversão de impulsos de raro para mais frequente. Nesse caso, o nível de uma única exposição a um neuroelemento é muito superior ao seu limite de ativação e ele consegue trabalhar várias vezes antes que o valor do somador caia para um nível inferior ao limite:



Um exemplo de redução da frequência de pulsos. Aqui, isso se deve a um aumento no tempo de repouso do neuroelemento, como já observei, durante o resto o neuroelemento não responde a sinais externos:



somatório espacial e temporal O



modelo apresentado do neuroelemento nos permite explicar como ocorre a somação temporal e espacial em um neurônio biológico. A soma temporal se manifesta no fato de que um número de impulsos sublimiares dessa sinapse, se esses impulsos ocorrerem com freqüência suficiente, pode levar à ativação do neurônio. Isso se deve ao fato de que a taxa de diminuição da quantidade de exposição pode ser menor que a taxa de reposição dessa quantidade.



Nos neurônios biológicos, há um fenômeno que indica que a soma não é apenas temporária, mas também de natureza espacial. Mesmo se a soma dos sinais do sublimiar exceder o limite, mas esses sinais chegarem às sinapses localizadas a uma distância suficiente um do outro, a ativação poderá não ocorrer.



Esse fenômeno pode ser modelado usando vários neuroelementos, por exemplo, um dendrito pode corresponder a cada neuroelemento individual.

Sumário

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