Điện từ sinh học / Mô hình nơ ron điện tử ( phần 3 ) ppsx

Điện từ sinh học / Mô hình nơ ron điện tử ( phần 3 ) 4.2 Mô hình nơron của Harmon Quá trình thực hiện mạch điện tử của mô hình Hodgkin-Huxley là rất chính xác trong việc mô phỏng hàm số của một nơron đơn lẻ. Tuy nhiên, khi một ai đó thực hiện việc mô phỏng hàm số mạng nơron thì chúng trở nên vô cùng phức tạp. Rất nhiều nhà khoa học cảm thấy rằng khi mô phỏng một mạng nơron lớn thì cấu trúc bên trong của các phần tử của nó có thể là không quá quan trọng. Nó có thể được thoả mãn một cách đơn giản để đảm bảo rằng các phần tự tạo ra một xung hoạt động tương ứng với các kích thích trong một phần tương tự đối với một nơron thực tế. Dựa trên nguyên tắc này, Leon D. Harmon cấu tạo nên mô hình nơron có một mạch rất đơn giản. Với mô hình này, ông đã thực hiện các thí nghiệm trong đó ông mô phỏng rất nhiều các hàm về thông số của các nơron (Harmon, 1961). Mạch của mô hình Harnon được chỉ ra trong hình 10.13. Hình 10.13A và 10.13B chỉ ra các phiên bản sơ bộ và đầy đủ của mạch điện tương ứng. Mô hình được cấu tạo với 5 đầu vào kích thích có thể điều chỉnh được. Các mô hình này bao gồm các mạch điốt đặc trưng cho các hàm kỳ tiếp hợp khác nhau. Tín hiệu được đưa tới đầu vào kích thích làm thay đổi giá trị điện áp trên tụ điện mà sau khi đạt tới 1,5V nó cho phép một bộ tạo xung ổn định đơn tạo được thông qua hai transistor T1và T2 nhằm tạo ra xung động. Xung này được khuếch đại bơỉ transistor T3 và T4. Đầu ra của một mô hình nơron có thể điều chỉnh các đầu vào của khoảng 100 mô hình nơron lân cận. Mô hình cơ bản cũng bao gồm đầu vào hạn chế kích thích. Một xung được đưa vào tại đầu vào có ảnh hướng tới quá trình giảm của bộ cảm nhận đầu vào kích thích. Không cần có mạch ngoài, Harmon đã nghiên cứu thành công 7 thông số của mô hình nơron. Nó được miêu tả trong hình 10.14 và được mô tả ngắn gọn ở dưới đây Hình 10.13. Cấu trúc mô hình nơron Harmon. (A) Cơ bản và (B) phiên bản đã được cải tiến. Đường cong quan hệ cường độ và thời gian Mô hình Harmon chỉ ra đường cong quan hệ giữa cường độ - thời gian tương tự như biểu hiện thực của nơron. Trục thời gian là gần đúng nhưng do các thông số điện của các phần mạch nên trục điện áp cao hơn rất nhiều. Ngưỡng điện áp trong mô hình Harmon là khoảng Vth = 1.5 V, như được mô tả trong hình 10.14A. Quá trình tích luỹ Do mô hình không có các mạch bên trong được tạo ra sự tích luỹ một cách cụ thể, nên hiện tượng này là mô tả tổng quát bởi đường cong quan hệ cường độ - thời gian mà nó làm sáng tỏ đường cong kích thích – tích luỹ. Xung hoạt động chỉ được tạo ra khi các kích thích đã kết thúc đủ lâu để tạo ra một xung hoạt động. Biến đổi theo thời gian Mô hình mô tả các ngưỡng kích thích trong trường hợp các xung kích thích liên tục nhau khi xung đầu tiên rời khỏi trạng thái quá kích thích thì tới xung thứ hai. Hình 10.14B chỉ ra biên độ yêu cầu của hai xung có độ rộng 0,8 ms như là một hàm số theo thời gian của chúng, và một xung khác chỉ ra ngưỡng làm nhỏ với khoảng các xung giảm dần, do đó, chúng ta sẽ có tổng thời gian. Trong tất cả các trường hợp thì biên độ xung giảm từ giá trị yêu cầu đối với các xung hoạt động từ các xung đơn. Giai đoạn trơ ì (khôi phục kích thích) Quá trình khôi phục kích thích thông thường của mô hình sau khi xung kích hoạt được chỉ ra trên hình 10.14C. Đường cong này tương tự với đường cong đối với các nơron sinh học. Mô hình nơron khôi phục hoàn toàn trong khoảng thời gian là 1ms – đó chính là thời gian xung xuất hiện tại đầu ra. Chu kỳ khôi phục tương đối bắt đầu sau khi thời gian bắt đầu (t=0) và sau một khoảng thời gian cố định khoảng 1,7ms. Đường cong A nhận được khi các kích thích được cung cấp một tín hiệu tại đầu vào. Đường cong B đặc trưng cho trường hợp khi các kích thích được cung cấp ngay lập tức tới 3 đầu vào (xem hình 10.13). Xung đầu ra, xung hoạt động Xung đầu ra tuân theo định luật tất cả hoặc là không và biên độ của nó khá ổn định. Tuy nhiên, độ rộng của nó là một vài mức độ hàm số của tần số xung. Sự phụ thuộc này được đưa ra trong hình 10.14D. Độ trễ Trong trường hợp này, độ trễ được coi là khoảng thời gian giữa thời điểm hoạt động của các xung kích thích và xung đầu ra. Nó không có nghĩa là trễ thông thường như chúng ta thường biết đến. Trong mô hình này, trễ làm một hàm số của sự tích hợp tại đầu vào cũng như là điều kiện khôi phục. Đường cong A trong hình 10.14E đặc trưng cho độ trễ khi các kích thích được cung cấp tới một đầu vào và đường cong B là khi các kích thích được cung cấp tới tất cả 5 đầu vào kích thích. Kích thích lặp Kích thích được coi là quá trình tạo ra các xung đầu ra với điện áp hằng số tại đầu vào và tần số. Hình 10.14F, đường cong A, chỉ ra tần số của xung đầu ra khi điện áp đầu vào được kết nối với 3 đầu vào và đường cong B là điện áp đầu vào được kết nối với 1 đầu vào. Tần số đầu ra chỉ cho phép đầu vào đối với các đầu vào điện áp cao. Khi đầu vào giảm, xung sẽ biến mất và tần số đầu ra sẽ giảm tương ứng với đầu vào. Bằng cách mắc với các tụ điện giữa cổng vào và cổng ra của mô hình nơron thì người ta có thể thực hiện các hàm phúc tạp hơn nhiều. Harmon đã thực hiện các thí nghiệm cùng với việc kết hợp rất nhiều mô hình khác nhau. Hơn thế nữa, ông đã nghiên cứu quá trình truyền của xung kích hoạt bằng các mô hình nối tiếp với nhau. Các mô hình nơron này có thể được cung cấp để mô phỏng các mạng nơron khá phức tạp và thậm chí là mô hình tạo dạng sóng của não. Hình 10.14. Các thông số của mô hình Harmon. (A) Đường cong quan hệ cường độ và thời gian; (B) Biến đổi theo thời gian của kích thích; (C) Khôi phục kích thích; (D) Độ rộng của xung đầu ra như là một vài mức hàm số của tần số xung; (E) Trễ giữa bắt đầu của xung kích thích và bắt đầu của xung hoạt động như là hàm của tần số kích (F) Thuộc tính của mô hình trong kích thích lặp. Tần sô đầu vào là 700 p/s. 5 Các mô hình mô tả quá trình truyền xung kích hoạt Việc sử dụng sự lặp đi lặp lại của phần màng tế bào mô hình nơron của ông thì Lewis đã mô phỏng quá trình truyền xung kích hoạt trong một sơị dây thần kinh chuẩn và thu được các kết quả khá thú vị. Cấu trúc mô hình, được mô tả trên hình 10.15 có thể được coi là bao gồm một mạng của các thành phần màng tế bào cũng như là chuỗi điện trở trục đặc trưng cho các điện trở tế bào bên trong. Tổng của 6 phần tử được mô tả trên hình. Mô hình là một quá trình thực hiện điện tử của mô hình bộ dẫn dây lõi tuyến tính cùng với các màng tế bào hoạt động. Hình 10.16A và 10.16B mô tả một mô phỏng của quá trình truyền xung hoạt động trong mô hình bao gồm một chuỗi các đơn vị sợi thần kinh nối tiếp như được mô tả trên hình 10.15. Đường cong A đặc trưng cho trường hợp một chuỗi 6 đơn vị nối tiếp còn đường B là một chuỗi tròn gồm 10 đơn vị. Sau đó các tín hiệu sẽ được ghi lại sau từng giây một. Mô hình 6 đơn vị đặc trưng cho phần của xung sợi thần kinh ống 4cm dài và có bán kính bằng 1mm. Hình 10.16A chỉ ra thời gian dẫn của xung kích hoạt từ 3 đơn vị tới 6 đơn vị là 1,4ms. Do mô hình 6 đơn vị đầy đủ tạo nên 5 lần tăng lên của khoảng cách nên tốc độ dẫn của mô hình là khoảng 17m/s. Nó có thể so sánh với tốc độ dẫn thực sự đo được trong sợi thần kinh ống là từ 14-23m/s. Hình 10.15. Mô hình Lewis mô phỏng quá trình truyền xung hoạt động. Hình 10.16. Quá trình truyền của xung hoạt động trong mô hình Lewis cho vòng (A) sáu đơn vị (B) 10 đơn vị. 6 Thực hiện mạch tích hợp Sự phát triển của kỹ thuật mạch tích hợp đã tạo ra những mô hình nơron điện tử rất lớn (Mahowadd et al., 1992). Điều này làm cho các mô hình nơron điện tử hoặc mạch giống nơron có thể sử dụng như là các phần tử xử lý trong máy tính điện tử, cái mà được gọi là máy tính nơron. Trong phần dưới đây, chúng ta sẽ đưa ra hai ví dụ về vấn đề này. Stefan Prange (1988, 1990) đã phát triển mô hình nơron điện tử với kỹ thuật mạch tích hợp. Mạch đó bao gồm 1 nơron với 8 synapses. Kích thước của mạch tích hợp là 4.5x5mm2. Chứa khoảng 200NPN và 100PNP transistor, và khoảng 200 trong số đó được sử dụng. Mạch được chế tạo với một lớp kim loại có bề rộng là 12 µm. Bởi mô hình được thực hiện với kỹ thuật mạch tích hợp, nên nó dễ dàng tạo ra số lượng lớn, rất cần để mô phỏng mạng tế bào thần kinh. Những thí nghiệm này, tuy nhiên nó chưa tạo ra được mô hình đó. Trong năm 1991, Misha Mahowald và Rodney Douglas đã đưa ra mô hình nơron điện tử thực hiện mạch tích hợp (Mahowald và Douglas, 1991). Nó đã được thực hiện với mạch tranzito bán dẫn oxit kim loại bù (CMOS) dùng kỹ thuật tích hợp cỡ lớn (VLSI). Mô hình của họ mô phỏng rất chính xác đỉnh nhọn của noron Neocortical. Năng lượng tiêu tán của mạch là 60 µW và nó chiếm ít hơn 0.1 mm2. Các tác giả ước lượng rằng có khoảng 100-200 nơrons có thể được tạo ra trên một bàn ren 1cm x 1cm. . Điện từ sinh học / Mô hình nơ ron điện tử ( phần 3 ) 4.2 Mô hình n ron của Harmon Quá trình thực hiện mạch điện tử của mô hình Hodgkin-Huxley là rất chính xác trong việc mô phỏng. những mô hình n ron điện tử rất lớn (Mahowadd et al., 199 2). Điều này làm cho các mô hình n ron điện tử hoặc mạch giống n ron có thể sử dụng như là các phần tử xử lý trong máy tính điện tử, . công 7 thông số của mô hình n ron. Nó được miêu tả trong hình 10.14 và được mô tả ngắn gọn ở dưới đây Hình 10. 13. Cấu trúc mô hình n ron Harmon. (A) Cơ bản và (B) phiên bản đã được