AI Lab

Модели импульсных нейронов в Matlab - Руководство

Mercurial репозиторий с моделями находится по адресу https://bitbucket.org/aicommunity/neuromatlab/ с этой же страницы можно скачать архив последней версии ZIP-файлом.

Все модели находятся в библиотеке NeuroModelerLibrary.mdl в корне.

Остальные папки являются примерами, иллюстрирующими те или иные особенности моделей.

Расшифровка аббревиатур в начале наименований папок с примерами:

• NP (Neuron Parts) - эксперименты с функциональными элементами модели нейрона (синапс, ионный механизм, генератор ПД).
• N (Neuron) - эксперименты с моделью нейрона.
• MC (Motion Control) - моделирование нейронных сетей для управления движением.

В статье будут рассмотрены элементы библиотеки и примеры с которых мы и начнем.

Эксперименты с моделью нейрона

N01 Simple neuron activity tests (old model). В этой папке содержатся первые эксперименты с обновленной моделью нейрона, в которой появилась возможность задавать описание структуры мембраны. По этой причине в экспериментах используется устаревшее актуальной описание модели участка мембраны. Модели нейронов, используемые в этих тестах практически идентичны актуальным, но отличаются иными значениями набора параметров. В библиотеке, элементы этой модели нейрона выделены в отдельную группу Old Neuron Elements. Набор схем для экспериментов позволяет повторить результаты, описанные в статье "Математическое моделирование процессов преобразования импульсных потоков в естественном нейроне".

SimpleNeuronTest.mdl - Простейший пример, показывающий возможную реакцию модели нейрона на одиночный возбуждающий импульс.

 NeuronSizeActivity.mdl - Иллюстрирует разницу в реакциях моделей крупного и мелкого нейронов (отличаются числом участков мембраны сомы), и разницу в поведении в зависимости от того как далеко от сомы по дендриту расположен возбуждающий синапс.

PresynapticInhibition.mdl - Воспроизводит эффект пресинаптического торможения и его действие на аналогичные эксперименту выше клетки различного размера.

N02 Typical neuron model activity tests. Это набор тестов к статье "Воспроизведение реакций естественных нейронов как результат моделирования структурно-функциональных свойств мембраны и организации синаптического аппарата". Эксперименты основаны на актуальной модели и значениях парамеров. Помимо прочего иллюстрирует некоторые специфические варианты реализации модели участков мембраны, воспроизводящие эффекты подобные поведению потенциал-зависимых ионных каналов, а также электрический синапс. 

FFCharacteristic.mdl, FFCharacteristicBySize.mdl - Схемы для определения ЧЧХ моделей нейронов с различной структурой мембраны.

LongDendriteCells.mdl, LongDendriteCells2.mdl - Демонстрация особенностей временной суммации сигналов на дендритах.

MultiSizeCells.mdl - Демонстрация различия поведения нейронов разного размера.

PacemakerCells.mdl - Реализация на модели пейсмекерных нейронов.

PotentialDependentChannels.mdl - Пример модели с потенциал-зависимыми каналами (см. нейроны C.Elegans).

ChemicalVersusElectricSynapse.mdl - Демонстрация работы электрического сипнаса.

OscillationSystem.mdl - Пример генератора ритма как структуры из 2 нейронов с положительной ОС.

N03 Neuron membrane capacity test. Описание еще одной специфической модификации модели участка мембраны с большой постоянной времени. Особенности поведения описаны в статье "Применение эффектов временной суммации сигналов в нейросетевых системах управления движением".

PulseNeuronMembraneCapacityTest.mdl - Демонстрирует описание поведения такого нейрона при активации по одному входу.

N04 Afferent neurons. Примеры работы модели афферетного нейрона, преобразующего аналоговый сигнал в последовательность имульсов.

AfferentTest.mdl - Тестовый пример для съема АЧХ нейрона при различных параметрах входного преобразования сигнала.

N05 Reflexive inhibition. Эти тесты демонстрируют возможность воспроизводить эффекты возвратного торможения в простейших сетях из пары нейронов (аналог связки мотонейрон-клетка Реншоу). Для этих тестов был изменен к-т пресинаптического торможения чтобы эффект проявился более ярко.

MN_Renshow_system.mdl - Пример взамодействия нейронов в связке мотонейрона (крупный нейрон) и клетки Реншоу (мелкий нейрон).

ReflexiveInhibition.mdl - Иллюстрация стабилизации ритма разрядов цепочки нейронов с возвратным торможением.

N06 Neurons with electrical synapses. Эксперименты с электрическим синапсом.

GraduatedPotentials.mdl - Тест "неполноценного" нейрона с отключенным генератором и электрическим синапсом. Пример реализации нейрона без генерации импульса (тоническое распространение сигнала с затуханием).

N07 Integrate-and-non-fire neuron model. Вариант реализации модели нейрона без генератора ПД. Вместо генератора используется функция гиперболического тангенса (с отсечением отрицательной составляющей). Временная суммация сигналов и возможность описания структуры мембраны сохраняется. 

AnalogNeuronSimpleTest.mdl - пример реакций такой модели на входное воздействие.

Отдельные эксперименты с функциональными элементах модели нейрона

NP01 Synapse Simple Tests. Содержит схемы для экспериментов с моделью синапса.

Synapse.mdl - Простая иллюстрация работы модели синапса и его влияния на мембрану.

Эксперименты по моделированию нейронных сетей для управления движением (запланированы для публикации, в настоящее время недоступны)

MC01 RCN comparations.  Модель регулятора на основе НС спинального уровня управления мышечным сокращением.

MC02 PCN experiments. Моделирование сети запоминания положений (состояний) объекта управления.

MC03 TCN experiments. Моделирование сети запоминания движений по траектории.

Описание библиотеки

На рисунке ниже (рис. 1) показаны группы моделей библиотеки.

Рис. 1. Обзор Matlab Simulink библиотеки

Краткое описание групп:

• Support - содержит вспомогательные (технологические) блоки из которых строятся модели нейронов, или примеры.
• Neuron Elements - функциональные элементы модели нейрона: ионный механизм, участок мембраны, синапс, генератор ПД и т.п.
• Old Neuron Elements - устаревшие элементы модели нейрона.

Под общим названием "Integrate-and-fire Model" идут группы, содержащие модели нейронов с предварительно созданной структурой мембраны и использующие их НС:

• Simple Cells - простейшие клетки с минимальным числом участков мембраны, и афферетные нейроны.
• Sized Cells - нейроны с различным размером сомы и дендритом.
• Dendrites Cells - нейроны с ветвлением дендритов.
• Multistate Cells - нейроны мембрана которых имеет несколько устойчивых состояний.
• Pacemaker Cells - модели пейсмекерных нейронов.
• Memory Modules - нейронные структуры, относящиеся к моделированию управления движением.

В разделе Integrate-and-not-fire Models, содержится единственная группа Analog SImple Cells, описывающая нейроны с активационными функциями вместо генератора потенциала действия.