ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ НЕЙРОННЫХ СИГНАЛОВ

In the report are stated neurodynamically principles of shaping of biophysical signals from receptors up to neural networks. For processing signals in hardware systems the new method of processing of a biophysical information - method neurodynamically of coding is offered basic in essence. The report is illustrated by the functional schemes and temporary diagrams, illustrating their work.

В докладе излагаются нейродинамические принципы формирования биофизических сигналов от рецепторных нейронов до нейронных сетей. Для обработки сигналов в реальных системах предложен принципиально новый метод обработки биофизической информации – метод нейродинамического кодирования. Доклад иллюстрируется функциональными схемами и временными диаграммами, поясняющими их работу.

Сигналы биоэлектрической активности характеризуют процессы, происходящие в различных системах организма и проявляется в изменениях ритмов сердца, мозга и любых других органов. Изменения динамических параметров биоэлектрических сигналов отражают реакцию организма на воздействия различных факторов внешней и внутренней среды. Влияние центральной и вегетативной нервных систем, а также рефлекторного и гуморального звеньев происходит на все органы человека и проявляется в изменении частотно-временных характеристик биоритмов организма, которые могут быть зарегистрированы в виде биоэлектрических сигналов в различных диапазонах частот.

Каждая рецепторная клетка организма реагирует на воздействия внешней и внутренней среды, к которым она чувствительна, в пределах ограниченной зоны, называемой рецептивным полем. Если мы проследим за работой одного зрительного анализатора сетчатки, то увидим, что он возбуждается только тогда, когда свет, проходящий через хрусталик, падает на рецептивное поле данного рецептора. Кожный рецептор воспринимает только то, что происходит в его рецептивном поле – в ограниченном участке, расположенном над ним на поверхности кожи. Конфигурация рецептивного поля отдельного рецепторного нейрона, реагирующего на тактильные раздражители, определяется конвергенцией нервных волокон от кожных рецепторов. Любые тактильные стимулы, попадающие в это поле, воспринимаются как исходящие из одного места. Стимулы, действующие в пределах более мелких участков, вообще не дифференцируются.

1 – Многовходовый рецепторный нейрон

2 – Многоканальный промежуточный нейрон

С радиофизической точки зрения рецепторные нейроны представляют собой устройства, преобразующие аналоговые электрические сигналы, приходящие от рецепторов в последовательности бинарных импульсов.

Рецепторные нейроны представляют собой динамические детекторы т.к. реагируют только на изменение параметров поступающих на их вход сигналов.

Функциональная схема рецепторного нейрона представляет собой адаптивный дискретно-временной преобразователь аналоговых сигналов. Рис.2.

Блок 1 представляет собой интегратор, в котором производится суммирование входных сигналов, поступающих от совокупности однородных рецепторов. Аналоговый сигнал на выходе интегратора характеризует суммарный сигнал рецептивного поля.

Блок 2 представляет собой генератор тактовых импульсов, частота следования которых определяется спайковой активностью самого нейрона. Частота спайковой активности нейрона зависит от периода его относительной рефрактерности, который в свою очередь, зависит от амплитуды суммарного сигнала рецептивного поля. Рис. 3.

Блок 3 – компаратор, в котором производится сравнение сигналов, поступающих из интегратора 1 и аппроксиматора 4 в моменты времени определяемые периодом следования импульсов генератора тактовой частоты 2.

Сигналы от совокупности рецепторных нейронов, представляющие собой последовательности бинарных импульсов, поступают на вход промежуточного нейрона, который представляет собой многовходовое приемо-передающее устройство с единственным выходом. Рис. 2.5.

В многомодальном интеграторе 1 производится суммирование бинарных последовательностей импульсов, поступающих от рецептивных полей совокупностей нейронов различных модальностей. В физиологии сенсорных систем (..) под модальностями понимаются каналы восприятия информации различными органами чувств, так называемые сенсорные каналы: зрение, слух, обоняние, осязание, вкус и др., а также каналы восприятия информации поступающей из внутренней среды организма.

Таким образом, бинарный код на выходе компаратора 3 представляет собой последовательность бинарных импульсов, частота следования которых определяется модальностью сенсорного канала.

На выходе промежуточных нейронов различных модальностей формируются последовательности бинарных импульсов, периоды следования которых определяются модальностями сенсорных каналов.

Основная особенность работы промежуточных нейронов сенсорных каналов различной модальности состоит в том, что частота тактовых импульсов в генераторах 2 каналов 1,2,3 различна и определяется номером канала. Таким образом, последовательности бинарных импульсов на выходах промежуточных нейронов каналов 1,2,3 будут следовать с различной частотой.

Как было показано, последовательности бинарных импульсов на выходах промежуточных нейронов сенсорных каналов формируются с частотой строго определенной для каждого канала. Эти последовательности поступают на вход центральной нервной системы, в которой формируются нейродинамические коды всех сенсорных каналов.

Нейродинамические коды отдельных каналов представляют собой комбинации бинарных импульсов с конечным и строго определенным числом элементов. Нейродинамические коды формируются в различных временных интервалах, определяемых модальностью канала. Фундаментальным свойством нейродинамических кодов является то, что их количество равно числу элементов кода, а число элементов кода равно числу каналов. Реализация всей совокупности нейродинамических кодов – “нейродинамическая матрица” заканчивается, когда формируется полнозначная комбинация элементов нейродинамического кода сенсорного канала, имеющего наибольший период.

Фундаментальное свойство такой модели состоит в том, что каждой элемент этой модели функционирует как модель в целом, и количество вложенностей равно числу элементов кода и равно количеству сенсорных каналов.