Исследование поведения нейрона с взаимным влиянием ионных механизмов нейрона

Было проведено исследование зависимости скорости нарастания частоты на выходе нейрона от параметра емкости нейрона. Для исследования использовалась схема, представленная ниже (Рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Схема нейронной сети для исследования поведения нейрона с взаимным влиянием ионных механизмов

Здесь к четырем нейронам подключена пара генераторов импульсов, имитирующих возбуждающее (PGenerator) и тормозное (PGenerator2) воздействие заданной частоты. Нейроны представляют собой пару небольших нейронов с обычным набором параметров участков мембраны (SPNeuron) и параметрами, увеличивающими интервал временной суммации сигналов (SPNeuron2), а также пару крупных нейронов с аналогичными различиями в настройках (Motoneuron и Motoneuron2 соответственно). Рисунок 4.2 представляет собой схему модели небольших нейронов. Рисунок 4.3 – схему крупных нейронов.

Рисунок 4.2 – Схема модели небольшого нейрона

Рисунок 4.3 – Схема модели крупного нейрона

Ниже (Рисунок 4.4) представлен пример поведения моделей нейронов в ответ на внешнее воздействие.

Сверху вниз представлены реакции следующих нейронов:

1 – Motoneuron2, 2 – Motoneuron, 3 – SPNeuron2, 4 – SPNeuron, 5 – возбуждающее входное воздействие

По оси абсцисс – время в секундах

Рисунок 4.4 – Поведение небольшого и крупного нейронов при различных значениях емкости мембраны

Как можно видеть, при начале возбуждающего воздействия (10-ая секунда на графике) нейроны с малой емкостью мембраны начинают реагировать с некоторой постоянной частотой. Нейроны с большей емкостью мембраны реагируют нарастающей частотой реакций на постоянную частоту возбуждающего воздействия. При этом нейроны с малой емкостью мембраны прекращают генерацию через малый интервал времени после прекращения возбуждающего воздействия, нейроны с большой емкостью мембраны продолжают генерацию в течении длительного времени.

Для того, чтобы при наличии тормозного воздействия нейрон мог немедленно прекратить генерацию сигналов, используется взаимное влияние ионных механизмов. Можно видеть, что в начале тормозного воздействия (21-ая секунда на графике), нейроны немедленно прекращают генерацию, т.к. при активации синапсов, подключенных к ионному механизму деполяризации, механизм гиперполяризации немедленно приходит в исходное состояние покоя.

Более подробно зависимость между емкостью мембраны и скоростью нарастания частоты нейрона демонстрирует эксперимент, результаты которого приведены на рисунке ниже (Рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Зависимость скорости нарастания частоты от емкости нейрона (С - емкость мембраны)

Для более наглядного представления зависимости, график построен в логарифмическом масштабе.

Также было исследовано влияние наличия взаимного влияния между ионными механизмами нейронов при большой емкости мембраны на амплитуду устоявшихся колебаний звена манипулятора.

Рисунок 4.6 – представляет собой схему тестирования регулятора поддержания положения звена манипулятора. Для эксперимента использовался только контур управления по углу (II). Контуры управления по угловой скорости (Ia) и моменту, развиваемому двигателем (Ib) были отключены.

Рисунок 4.6 – Схема тестирования регулятора поддержания положения звена манипулятора под действием внешних сил

Рисунок 4.7 – демонстрирует схему управляющего элемента, модель которого была приведена ранее (Рисунок 2.4).

Рисунок 4.7 – Схема управляющего элемента

Наличие взаимного влияния между ионными мезанизмами должно уменьшать амплитуду колебаний и увеличивать время переходного процесса при одинаковой емкости мембраны. Такой же результат демонстрирует проведенный эксперимент (Рисунок 4.8, Рисунок 4.9). Так как при малых емкостях не имеет значения наличие перекрестных связей, то эти случаи не рассмотрены.

Рисунок 4.8 - Зависимость амплитуды колебаний от наличия перекрестных связей. (С - емкость мембраны, А - амплитуда)

Рисунок 4.9 - Зависимость времени переходного процесса от наличия перекрестных связей (С - емкость мембраны)

Для более наглядного представления зависимости, графики построены в логарифмическом масштабе.

Здесь можно видеть закономерное существенное нарастание времени переходного процесса при росте инерции мембраны нейрона. Эта проблема может быть решена в дальнейшем развитии регулятора, путем введения двух режимов функционирования – режима поддержания положения, и перемещения в заданное положение.