RU2597496C1 - Single-layer perceptron, simulating real perceptron properties - Google Patents

Single-layer perceptron, simulating real perceptron properties Download PDF

Info

Publication number
RU2597496C1
RU2597496C1 RU2015105935/08A RU2015105935A RU2597496C1 RU 2597496 C1 RU2597496 C1 RU 2597496C1 RU 2015105935/08 A RU2015105935/08 A RU 2015105935/08A RU 2015105935 A RU2015105935 A RU 2015105935A RU 2597496 C1 RU2597496 C1 RU 2597496C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flows
impulse
neuron
clusters
input
Prior art date
Application number
RU2015105935/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Ефимович Мазуров
Original Assignee
Михаил Ефимович Мазуров
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Михаил Ефимович Мазуров filed Critical Михаил Ефимович Мазуров
Priority to RU2015105935/08A priority Critical patent/RU2597496C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2597496C1 publication Critical patent/RU2597496C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Image Analysis (AREA)

Abstract

FIELD: simulation of neural structures.
SUBSTANCE: invention can be used on the neural computers, in the technical systems based on neural networks for pattern recognition, analysis and processing of the images. Device comprises recording impulse neurons, inputs for input signals-impulse flows, internal communication channels from the inputs, individual clusters from part of communication channels in each of recording neurons, which pass the part of input signals; formation of clusters and adjustment of channels number in the clusters is carried out in accordance with the code combinations and structure of periods of partial components of input impulse flows; inertialess summation of all partial impulse flows at the outputs of clusters is performed; obtained signal is converted by liminal excitable elements, which generate single impulses or impulse sequences at exceeding of amplitude of impulse flows of liminal excitable elements which are used as the input signals.
EFFECT: technical result is provision of an opportunity to achieve selective detection of the input objects without using a balance measurement of the input signals, possibility of encoding the input object of a certain type by the channel number or by the number of recording neuron, compression of input information, performance increase, objects recognition reliability increase.
1 cl, 13 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к моделированию нейронных структур и может найти применение при разработке нейрокомпьютеров, технических систем на основе нейронных сетей для распознания образов, создания искусственного интеллекта, анализа и обработки изображений и многих других приложений. Целью изобретения является расширение области применения нейронных сетей, основным элементом которых является однослойный перцептрон, нейросетевых технологий, создания искусственного интеллекта.The invention relates to the modeling of neural structures and can find application in the development of neurocomputers, technical systems based on neural networks for pattern recognition, creating artificial intelligence, image analysis and processing, and many other applications. The aim of the invention is to expand the scope of neural networks, the main element of which is a single-layer perceptron, neural network technologies, the creation of artificial intelligence.

Типовая блок-схема известного однослойного импульсного перцептрона на примере пяти входных сигналов показана на фиг. 1 [1, 2, 4, 5, 9, 14, 17, 22, 28, 29].A typical block diagram of a known single-layer pulse perceptron using five input signals as an example is shown in FIG. 1 [1, 2, 4, 5, 9, 14, 17, 22, 28, 29].

Фиг. 1. Блок-схема известного однослойного импульсного перцептрона на примере пяти входных сигналов.FIG. 1. The block diagram of a well-known single-layer pulsed perceptron on the example of five input signals.

Требования к импульсному или спайковому нейрону, используемому в известном однослойном импульсном перцептронеRequirements for a pulsed or spike neuron used in a known single-layer pulsed perceptron

Сформулируем требования к импульсному или спайковому нейрону, используемому в известном однослойном импульсном перцептроне. В известном однослойном импульсном перцептроне используется импульсный или спайковый нейрон, более адекватный реальному биологическому нейрону, чем нейрон МакКаллока-Питса, блок-схема которого показана на фиг. 2 [1, 2, 3, 5, 7, 10, 11, 13, 15, 16, 18, 26-36].We formulate the requirements for a pulsed or spike neuron used in the well-known single-layer pulsed perceptron. The well-known single-layer pulsed perceptron uses a pulsed or spike neuron more adequate to a real biological neuron than the McCallock-Pitts neuron, the block diagram of which is shown in FIG. 2 [1, 2, 3, 5, 7, 10, 11, 13, 15, 16, 18, 26-36].

Фиг. 2. Блок-схема известного импульсного (спайкового) нейрона.FIG. 2. A block diagram of a known pulsed (spike) neuron.

На фиг. 2 приняты обозначения: (х1, х2,…, xn) - вектор входных сигналов, заданный в виде импульсных потоков; w1, w2, …, wN - весовые коэффициенты; Σ - синоптическое устройство для суммирования входных воздействий с весовыми коэффициентами; F - пороговый возбудимый элемент, генерирующий выходную импульсную последовательность или одиночный импульс при превышении сигналом на выходе сумматора порогового значения; Y - выходной сигнал. Механизм синаптического суммирования условно отражается общепринятым в нейробиологии символом для отображения синапса под знаком суммы Σ. Механизм генерирования выходной импульсной последовательности или одиночного импульса при превышении сигналом на выходе сумматора порогового значения условно отражается общепринятым в нейробиологии символом для отображения нейронного импульса. В дальнейшем мы будем использовать блок-схему импульсного нейрона в виде, показанном на фиг. 3In FIG. 2 designations are accepted: (x 1 , x 2 , ..., x n ) - the vector of input signals specified in the form of pulse flows; w 1 , w 2 , ..., w N - weighting factors; Σ is a synoptic device for summing input actions with weights; F is a threshold excitable element that generates an output pulse sequence or a single pulse when the signal at the output of the adder exceeds a threshold value; Y is the output signal. The synaptic summation mechanism is conditionally reflected by a symbol generally accepted in neurobiology for displaying the synapse under the sign of the sum Σ. The mechanism for generating an output pulse sequence or a single pulse when the signal at the output of the adder exceeds a threshold value is conditionally reflected by a symbol generally accepted in neurobiology to display a neural pulse. In the future, we will use the block diagram of a pulsed neuron in the form shown in FIG. 3

Фиг. 3. Блок-схема известного импульсного (спайкового) нейрона и выполняемые им функции.FIG. 3. A block diagram of a known impulse (spike) neuron and its functions.

На фиг. 3 приняты обозначения: КС - каналы связи (дендриты); W - устройства памяти, где сохраняются весовые коэффициенты, П - перемножители входных сигналов на весовые коэффициенты; Σ - синаптическое устройство для суммирования входных воздействий с весовыми коэффициентами; F - пороговый возбудимый элемент, генерирующий выходную импульсную последовательность или одиночный импульс при превышении сигналом на выходе сумматора порогового значения; Y - выходной сигнал.In FIG. 3 designations are accepted: KS - communication channels (dendrites); W - memory devices where weight coefficients are stored; P - input signal multipliers by weight coefficients; Σ is a synaptic device for summing input actions with weights; F is a threshold excitable element that generates an output pulse sequence or a single pulse when the signal at the output of the adder exceeds a threshold value; Y is the output signal.

В известном однослойном импульсном перцептроне используется известная модель импульсного нейрона. Рассмотрим более детально свойства и недостатки этой модели нейрона. На данный момент разработано большое количество моделей единичных нейронов: от пороговых моделей до биологоправдоподобных моделей [1, 2, 3, 5, 7, 10, 11, 13, 15, 16, 18, 26-36]. Известная модель нейрона состоит из следующих основных блоков: 1) блока для хранения или генерации весовых коэффициентов; 2) перемножителя; 3) синаптического устройства для суммирования импульсных потоков воздействий с весовыми коэффициентами; F - пороговый возбудимый элемент, генерирующий выходную импульсную последовательность или одиночный импульс при превышении сигналом на выходе сумматора порогового значения; Y - выходной сигнал.The well-known single-layer impulse perceptron uses the well-known impulse neuron model. Let us consider in more detail the properties and disadvantages of this neuron model. At the moment, a large number of models of single neurons have been developed: from threshold models to biologically plausible models [1, 2, 3, 5, 7, 10, 11, 13, 15, 16, 18, 26-36]. The known model of a neuron consists of the following main blocks: 1) a block for storing or generating weighting factors; 2) a multiplier; 3) a synaptic device for summing impulse fluxes of influences with weighting factors; F is a threshold excitable element that generates an output pulse sequence or a single pulse when the signal at the output of the adder exceeds a threshold value; Y is the output signal.

Для изучения феноменов, наблюдаемых в нейронных сетях, необходимо понимание принципов функционирования нейронов. Нейроны являются с точки зрения реализации сложными генераторами импульсных сигналов, механизмы работы которых к настоящему моменту в определенной степени изучены.To study the phenomena observed in neural networks, an understanding of the principles of functioning of neurons is necessary. From the point of view of realization, neurons are complex generators of pulsed signals, the mechanisms of operation of which are currently studied to a certain extent.

Импульсный нейрон как элемент нейронной сети должен отвечать ряду требований [1, 2]. Основные из них: 1) способность генерирования потенциала действия, близкого по форме к потенциалу действия реального биологического нейрона; 2) способность генерирования пачек нейронов, близких по характеристикам (частоте, структуре и т.д.) пачкам реального биологического нейрона; 3) должен обладать пороговыми свойствами, свойством рефрактерности, как у реального биологического нейрона; 4) должен суммировать приходящие на вход импульсы от других нейронов, т.е. нейрон должен включать в себя устройство, называемое синапсом; 5) сами синапсы могут быть возбуждающими и тормозными и могут заметно отличаться по другим свойствам; 6) обладать способностью к адаптации по отношению к внешним воздействиям или пластичностью; 7) обладать рядом других свойств, менее значимых в первом приближении, но могущих быть существенными в приложениях.A pulsed neuron as an element of a neural network must meet a number of requirements [1, 2]. The main ones: 1) the ability to generate an action potential that is close in form to the action potential of a real biological neuron; 2) the ability to generate packs of neurons that are close in characteristics (frequency, structure, etc.) to packs of a real biological neuron; 3) must have threshold properties, the property of refractoriness, as in a real biological neuron; 4) must sum the impulses coming to the input from other neurons, i.e. the neuron must include a device called a synapse; 5) the synapses themselves can be exciting and inhibitory and can markedly differ in other properties; 6) have the ability to adapt with respect to external influences or ductility; 7) possess a number of other properties that are less significant in the first approximation, but which may be significant in applications.

Обычно выполнением указанных требований не задаются, а сразу используют математическую модель нейрона, подходящую с точки зрения пользователя. Например, математические модели нейрона Ходжкина-Хаксли, Ван дер Поля-Фитцхью, Хиндемарша-Розе и т.д. [29-36]. Второй немаловажный критерий - преодолимая сложность вычислений при использовании выбранной модели. Краткий список используемых в настоящее время математических моделей нейронов приведен в таблице [1, 2, 7, 11, 15, 29-36].Usually, they are not specified by the fulfillment of these requirements, but they immediately use a mathematical model of a neuron that is suitable from the user's point of view. For example, mathematical models of the Hodgkin-Huxley neuron, Van der Paul-Fitzhugh, Hindemarsh-Rose, etc. [29-36]. The second important criterion is the surmountable complexity of the calculations when using the selected model. A short list of currently used mathematical models of neurons is given in the table [1, 2, 7, 11, 15, 29-36].

Figure 00000001
Figure 00000001

Ограниченность вычислительного ресурса породила множество упрощенных моделей, позволяющих, с одной стороны, удовлетворительно моделировать динамику единичных элементов, а с другой, эффективно использовать вычислительный ресурс. Эти модели стали называть феноменологическими.The limited computing resource has given rise to many simplified models that allow, on the one hand, to satisfactorily model the dynamics of individual elements, and on the other, to efficiently use the computing resource. These models began to be called phenomenological.

Механизмы суммирования импульсных потоков в импульсном нейроне принципиально отличаются от суммирования бинарных сигналов в искусственном нейроне МакКаллока-Питса. Рассмотрим этот процесс более подробно.The mechanisms for summing pulsed flows in a pulsed neuron are fundamentally different from the summation of binary signals in a McCallock-Pits artificial neuron. Consider this process in more detail.

Методы суммирования импульсных потоков в импульсном нейронеMethods for summing impulse flows in a pulsed neuron

Сравнительное пространственное распределение дендритов для нейронов различных типов по данным нейробиологических исследований иллюстрируется фиг. 4.The comparative spatial distribution of dendrites for various types of neurons according to neurobiological studies is illustrated in FIG. four.

Фиг. 4. Сравнительное пространственное распределение дендритов для нейронов различных типов по данным нейробиологических исследованийFIG. 4. Comparative spatial distribution of dendrites for various types of neurons according to neurobiological studies

На фиг. 4 показаны три вида нейронов, у которых в зависимости от их предназначения имеются различные организации кластера дендритов, являющихся входными каналами связи между телом нейрона и сенсорными системами, являющимися поставщиками входных сигналов. Суммирование импульсных потоков, выходящих из каналов связи, в реальном нейроне происходит специфическим образом, а именно, как пространственно-временное суммирование. Оно принципиальным образом отличается от интегрального синаптического суммирования в известном импульсном спайковом нейроне. Специфика следует из реального экспериментально известного устройства дендритов. Дендриты в виде тонких волокон по мере сближения с телом нейрона объединяются путем присоединения к более толстому волокну или друг с другом. В результате тонкие множественные волокна дендритов эволюционируют в меньшее количество (вплоть до одного) более толстых дендритов [19, 20].In FIG. Figure 4 shows three types of neurons, which, depending on their purpose, have various organizations of a cluster of dendrites, which are the input communication channels between the body of the neuron and sensor systems that are suppliers of input signals. The summation of pulsed streams emerging from communication channels in a real neuron occurs in a specific way, namely, as a spatio-temporal summation. It is fundamentally different from the integral synaptic summation in the known pulsed spike neuron. Specificity follows from a real experimentally known device of dendrites. Dendrites in the form of thin fibers as they approach the body of the neuron are combined by attaching to a thicker fiber or with each other. As a result, thin multiple fibers of dendrites evolve into a smaller number (up to one) of thicker dendrites [19, 20].

Более толстые волокна могут опять объединяться в еще более толстые, образуя электрически мощные проводники токов от импульсных потоков.Thicker fibers can again combine into even thicker ones, forming electrically powerful current conductors from pulsed currents.

При объединении дендритов происходит суммирование токов импульсных потоков в исходных волокнах дендритов. Таким образом, происходит безынерционное суммирование токов всех исходных импульсных потоков. При этом образуются иерархические дендритные деревья. Анализ функциональных свойств дендритов в связи с их структурой был изучен в основополагающей работе [19, 20]. В работе изучены: входное сопротивление дендритов, возникающие на них потенциалы при протекании в них импульсных потоков электрического тока, конвергенция дендритов. Конвергенция дендритов особенно представлена в нейронах головного мозга человека и животных. Конвергенция дендритов в звездчатой клетке коры мозжечка кошки изучена в работе В.В. Смолянинова [19, 20].When dendrites are combined, the currents of impulse flows in the initial dendrite fibers are summed. Thus, inertialess summation of the currents of all the initial pulse flows occurs. In this case, hierarchical dendritic trees are formed. An analysis of the functional properties of dendrites in connection with their structure was studied in a fundamental work [19, 20]. The work studied: the input resistance of dendrites, the potentials arising on them during the flow of pulsed currents of electric current in them, the convergence of dendrites. Dendrite convergence is especially present in neurons of the human and animal brain. The convergence of dendrites in the stellate cell of the cerebellar cortex of a cat was studied by V.V. Smolyaninov [19, 20].

Роль синапсов в суммировании импульсных потоковThe role of synapses in the summation of impulse flows

Импульсные потоки поступают в нейрон непосредственно от дендритов за счет соединения их биологических мембран, то есть возникает общая биологическая мембрана для дендритов и сомы нейрона [1, 2]. Другая часть импульсных потоков поступает в сому нейрона через синапсы, соединяющие дендрит с сомом нейрона. Синапс служит преобразователем электрического потенциала дендрита в химический медиатор и далее снова в электрический потенциал [1, 2]. Замечательной особенностью химических синапсов является их односторонняя проводимость. Они могут проводить электрический ток от дендрита к телу нейрона только в одном направлении. В обратном направлении электрический ток и потенциал не проводятся. Суммирование электрических потенциалов импульсных потоков после преобразования их синапсами происходит в соме нейрона. Таким образом, сами синапсы фактически не участвуют в суммировании импульсных потоков. Синапсы осуществляют одностороннюю проводимость от дендритов к соме. Таким образом, они защищают слабые электрические потенциалы дендритов от воздействия потенциала, возникающего в триггерной зоне вблизи аксона. Есть аргументированная гипотеза, что импульсные потоки, попадающие через химические синапсы, играют тонкую управляющую роль в генерации импульсного ответа нейрона.Pulse flows enter the neuron directly from the dendrites due to the connection of their biological membranes, that is, a common biological membrane arises for dendrites and soma of the neuron [1, 2]. Another part of the impulse flows into the neuron soma through the synapses connecting the dendrite to the neuron soma. The synapse serves as a converter of the electric potential of the dendrite to a chemical mediator and then again to the electric potential [1, 2]. A remarkable feature of chemical synapses is their one-sided conductivity. They can conduct electric current from the dendrite to the body of the neuron in only one direction. In the opposite direction, electric current and potential are not conducted. The summation of the electric potentials of impulse flows after converting them by synapses occurs in the neuron soma. Thus, the synapses themselves do not actually participate in the summation of pulse flows. Synapses carry out unilateral conduction from dendrites to catfish. Thus, they protect the weak electric potentials of dendrites from the effects of potential arising in the trigger zone near the axon. There is a well-reasoned hypothesis that impulse flows entering through chemical synapses play a subtle control role in generating a neuron impulse response.

В реальном биологическом нейроне количество синапсов на соме нейрона, как правило, значительно меньше, чем число дендритов, оканчивающихся на соме за счет общих мембран. Количество синапсов на теле нейрона варьирует от единиц до многих тысяч. Они присоединены к соме наряду с основаниями дендритов. Нейробиологические исследования свойств синапсов показывают, что в общей картине пространственно-временного суммирования импульсных последовательностей синапсы играют роль практически безынерционных преобразователей электрических импульсных последовательностей в химические и затем снова в электрические.In a real biological neuron, the number of synapses on the som of the neuron, as a rule, is much less than the number of dendrites ending in the soma due to common membranes. The number of synapses on the body of a neuron varies from units to many thousands. They are attached to the catfish along with dendrite bases. Neurobiological studies of the properties of synapses show that in the overall picture of the spatiotemporal summation of pulse sequences, synapses play the role of practically inertialess converters of electrical pulse sequences into chemical ones and then back into electrical ones.

Фундаментальным свойством и предназначением синапсов является, по-видимому, их односторонняя проводимость по отношению к приходящим импульсным последовательностям. Временная константа синапсов при воздействии прямоугольных импульсов при их преобразовании заднего фронта по законуThe fundamental property and purpose of synapses is, apparently, their one-sided conductivity with respect to incoming pulse sequences. The time constant of synapses when exposed to rectangular pulses during their transformation of the trailing edge according to the law

Figure 00000002
Figure 00000002

имеет порядок 10 (1/мсек). Поэтому такие импульсы при суммировании можно считать безынерционными односторонними преобразователями.has an order of 10 (1 / ms). Therefore, such pulses during summation can be considered as inertialess one-way converters.

Зачастую синапсы расположены не только на соме нейрона, но и на самих дендритах и импульсные потоки от них поступают к телу нейрона вместе с импульсными последовательностями от дендритов. Это иллюстрируется фиг. 5. В реальном биологическом нейроне количество синапсов на соме нейрона, как правило, значительно меньше, чем число дендритов, оканчивающихся на соме за счет общих мембран. Число синапсов на соме нейрона варьирует от единиц до сотен тысяч, что также иллюстрируется фиг. 5.Often the synapses are located not only on the som of the neuron, but also on the dendrites themselves and the impulse flows from them enter the neuron body along with the impulse sequences from the dendrites. This is illustrated in FIG. 5. In a real biological neuron, the number of synapses in the som of the neuron, as a rule, is much less than the number of dendrites ending in the soma due to common membranes. The number of synapses on the neuron soma varies from units to hundreds of thousands, which is also illustrated in FIG. 5.

Фиг. 5. Расположение основных видов синапсов на теле нейрона: 1 - аксодендритический синапс; 2 - аксосоматический синапс; 3 - аксоаксонный синапс; 4 - дендрит; 5 - сома; 6 - аксонный холмик; 7 - аксон. На фиг. 5 вверху справа и на фиг.5 внизу показаны нейроны с большим количеством синапсовFIG. 5. The location of the main types of synapses on the body of a neuron: 1 - axodendritic synapse; 2 - axosomatic synapse; 3 - axoaxon synapse; 4 - dendrite; 5 - catfish; 6 - axon knoll; 7 - axon. In FIG. 5 top right and figure 5 below shows neurons with a large number of synapses

Общие выводы по методам суммирования импульсных потоков в нейронеGeneral conclusions on the methods of summing pulsed flows in a neuron

Изложенное выше позволяет утверждать, что в большинстве случаев импульсные потоки суммируются безынерционным образом:The foregoing allows us to state that in most cases, pulsed flows are summed in an inertialess manner:

1) В самих дендритах в зонах их конвергенции или в соме нейрона при естественном слиянии дендрита с сомой при общей мембране. Это суммирование происходит последовательно путем конвергенции за счет все большего утолщения дендритов в распределенной области, где расположено дендритное дерево. Поскольку суммирование происходит на самих дендритах, представляющих из себя электрически проводящие резистивные каналы, то это суммирование является безынерционным практически мгновенным суммированием на резистивной нагрузке. Это свойство является принципиально необходимым для выделения максимальных значений оконечных импульсных потоков, подходящих к соме нейрона;1) In the dendrites themselves in the zones of their convergence or in the neuron catfish during the natural fusion of the dendrite with catfish with a common membrane. This summation occurs sequentially by convergence due to the increasing thickening of dendrites in the distributed region where the dendritic tree is located. Since the summation occurs on the dendrites themselves, which are electrically conductive resistive channels, this summation is inertialess almost instantaneous summation on a resistive load. This property is fundamentally necessary for distinguishing the maximum values of terminal impulse flows suitable for the neuron soma;

2) Часть импульсных потоков поступает в сому нейрона через синапсы, соединяющие дендрит с сомом нейрона. Синапс служит преобразователем электрического потенциала дендрита в химический медиатор и далее снова в электрический потенциал [1, 2]. Суммирование электрических потенциалов импульсных потоков после преобразования их синапсами происходит в соме нейрона. Таким образом, сами синапсы фактически не участвуют в суммировании импульсных потоков. Синапсы осуществляют одностороннюю проводимость от дендритов к соме. Таким образом, они защищают слабые электрические потенциалы дендритов от воздействия потенциала, возникающего в триггерной зоне вблизи аксона. Описанные выше механизмы суммирования импульсных потоков отражены в предлагаемом изобретении.2) Part of the impulse flows into the neuron soma through the synapses connecting the dendrite to the neuron soma. The synapse serves as a converter of the electric potential of the dendrite to a chemical mediator and then again to the electric potential [1, 2]. The summation of the electric potentials of impulse flows after converting them by synapses occurs in the neuron soma. Thus, the synapses themselves do not actually participate in the summation of pulse flows. Synapses carry out unilateral conduction from dendrites to catfish. Thus, they protect the weak electric potentials of dendrites from the effects of potential arising in the trigger zone near the axon. The above described mechanisms for summing pulsed flows are reflected in the present invention.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Наиболее близким техническим решением к заявляемой модели однослойного перцептрона является однослойный перцептрон на основе импульсных нейронов, показанный на фиг. 1. Достаточно подробно известны недостатки однослойного перцептрона на основе искусственного импульсного нейрона [1, 2, 29-36]: 1) однослойный перцептрон на основе искусственных импульсных нейронов неадекватен реальному биологическому перцептрону; 2) в реальном биологическом нейроне весовой градации входных сигналов не производится, весовая градация - искусственный прием, придуманный инженерами; 3) нейросетевые алгоритмы при использовании однослойных перцептронов на основе искусственного импульсного нейрона при большом количестве входных сигналов требуют значительных вычислительных ресурсов; 4) увеличение входных сигналов даже на один требует полного перерасчета весовых коэффициентов. Список недостатков можно продолжить.The closest technical solution to the claimed model of a single-layer perceptron is a single-layer perceptron based on impulse neurons, shown in FIG. 1. The disadvantages of a single-layer perceptron based on an artificial impulse neuron are known in sufficient detail [1, 2, 29-36]: 1) a single-layer perceptron based on artificial impulse neurons is inadequate to a real biological perceptron; 2) in a real biological neuron, a weighted gradation of input signals is not performed, weighted gradation is an artificial technique invented by engineers; 3) neural network algorithms using single-layer perceptrons based on an artificial pulse neuron with a large number of input signals require significant computational resources; 4) an increase in input signals even by one requires a complete recalculation of weighting factors. The list of shortcomings can be continued.

В связи с недостатками однослойного перцептрона на основе искусственных импульсных нейронов предлагается модель однослойного перцептрона, представляющая устройство на основе импульсных нейронов, содержащих кластеры из каналов связи, более адекватно отражающее функции реального однослойного перцептрона, блок-схема которого показана на фиг. 6.Due to the shortcomings of a single-layer perceptron based on artificial impulse neurons, a single-layer perceptron model is proposed, which is a device based on impulse neurons containing clusters of communication channels that more adequately reflects the functions of a real single-layer perceptron, a block diagram of which is shown in FIG. 6.

Фиг. 6. Блок-схема предлагаемого однослойного перцептрона.FIG. 6. The block diagram of the proposed single-layer perceptron.

На фиг. 6 приняты следующие обозначения: К - сформированный кластер каналов связи; Σ - сумматор, F - пороговый преобразователь. Треугольниками отмечены заблокированные каналы связи из числа входных, не являющихся существенными характеристическими векторами для объекта на входе перцептрона.In FIG. 6, the following designations are accepted: K — formed cluster of communication channels; Σ - adder, F - threshold transducer. Triangles indicate blocked communication channels from the input, which are not essential characteristic vectors for the object at the input of the perceptron.

Блок-схема импульсного нейрона, используемого в предлагаемом однослойном перцептроне, содержащего кластеры из каналов связи, более адекватно отражающего функции реального нейрона, показана на фиг. 7.A block diagram of a pulsed neuron used in the proposed single-layer perceptron containing clusters of communication channels that more adequately reflects the functions of a real neuron is shown in FIG. 7.

Фиг. 7. Блок-схема импульсного нейрона, используемого в предлагаемом однослойном перцептроне. Нейрон содержит кластеры из каналов связи, согласованные с входным объектом. Данный нейрон более адекватно отражает функции реального нейрона.FIG. 7. The block diagram of a pulsed neuron used in the proposed single-layer perceptron. A neuron contains clusters of communication channels that are consistent with the input object. This neuron more adequately reflects the functions of a real neuron.

Поясним технологию формирования кластеров из каналов связи. Дадим пример однослойного перцептрона с импульсными нейронами, имеющими сформированные кластеры. Пояснение формирования кластеров каналов связей в зависимости от свойств входного сигнала иллюстрируется фиг. 8.Let us explain the technology of cluster formation from communication channels. Let us give an example of a single-layer perceptron with pulsed neurons having formed clusters. An explanation of the formation of clusters of communication channels depending on the properties of the input signal is illustrated in FIG. 8.

Фиг. 8. Пояснение формирования кластеров из каналов связи в индивидуальных нейронах перцептрона в зависимости от свойств входного сигнала.FIG. 8. An explanation of the formation of clusters from communication channels in individual perceptron neurons depending on the properties of the input signal.

Слева показаны три кодовые комбинации входного сигнала, в соответствии с которыми и формируется кластер каналов связи каждого нейрона. Черному цвету на кодовой комбинации соответствуют различные, произвольные периоды парциальных импульсных потоков, а белому цвету - отсутствие парциальных импульсных потоков. Рамкой выделены кластеры каналов связи, сформированные в соответствии с тремя характеристическими кодовыми комбинациями входного сигнала, то есть в соответствии со свойствами входного сигнала.Three code combinations of the input signal are shown on the left, according to which a cluster of communication channels of each neuron is formed. The black color on the code combination corresponds to various, arbitrary periods of partial pulse flows, and the white color corresponds to the absence of partial pulse flows. The frame highlights clusters of communication channels formed in accordance with three characteristic code combinations of the input signal, that is, in accordance with the properties of the input signal.

Каналы связи нейрона, соответствующие неинформативным ячейкам, заблокированы символом треугольник, как показано на фиг. 8. Таким образом, предлагаемый однослойный перцептрон оказывается настроенным на характеристические кодовые комбинации входного сигнала, приведенные слева.Neuron communication channels corresponding to non-informative cells are blocked by a triangle symbol, as shown in FIG. 8. Thus, the proposed single-layer perceptron is tuned to the characteristic input code combinations shown on the left.

Может ли система дендритов на входе нейрона быть столь пластичной и лабильной, чтобы адекватным образом отражать входную информацию за счет изменения числа возбуждающих и тормозных дендритов. Ранее этот вопрос был изучен недостаточно. Однако в последнее время был сделан ряд открытий, показавших наличие у дендритов совершенно необычных возможностей их роста, изменения количества и качества с помощью специальной системы шипиков [1, 2, 6]. Установлено также наличие у дендритов активных свойств, похожих на свойства аксонов [1, 2, 6]. Все это вместе взятое доказывает возможность адаптации к отражению любой входной информации не за счет весовых функций дендритов, а за счет кластеризации дендритов, изменения их количества и качества. Под различным качеством дендритов понимаются их свойства: дендриты возбуждающие и тормозные, различные по диаметру и электрической мощности и т.д.; возможность самоорганизации путем роста и гибели отдельных дендритов. В реальных условиях в организме человека или животного формирование эффективных связей в кластере происходит естественным образом за счет подкармливания работающих дендритов и уничтожения неработающих дендритов путем прекращения питания. Подкармливание дендритов происходит при прохождении по ним электрических импульсов. При этом в дендрит поступают строительные материалы в виде белков, АТФ, обеспечивающих дендриты энергетическими ресурсами, и других органелл. Регулирование питания происходит за счет снабжения АТФ и белковыми компонентами при прохождении электрических нервных импульсов. Если электрические нервные импульсы не проходят по дендриту, то питание не подается, и он отмирает.Can the system of dendrites at the input of a neuron be so flexible and labile as to adequately reflect the input information by changing the number of exciting and inhibitory dendrites. This issue has not been studied enough before. Recently, however, a number of discoveries have been made that have shown that dendrites have completely unusual growth opportunities, changes in quantity and quality using a special spike system [1, 2, 6]. It was also established that dendrites have active properties similar to those of axons [1, 2, 6]. All this taken together proves the possibility of adapting to the reflection of any input information not due to the weight functions of dendrites, but due to the clustering of dendrites, changes in their quantity and quality. Various properties of dendrites are understood to mean their properties: dendrites exciting and inhibitory, different in diameter and electric power, etc .; the possibility of self-organization through the growth and death of individual dendrites. In real conditions, in the human or animal organism, the formation of effective bonds in a cluster occurs naturally due to feeding working dendrites and destroying idle dendrites by stopping nutrition. Dendrites are fed when electrical impulses pass through them. At the same time, building materials in the form of proteins, ATP, which provide dendrites with energy resources, and other organelles enter the dendrite. Regulation of nutrition occurs due to the supply of ATP and protein components during the passage of electrical nerve impulses. If the electrical nerve impulses do not pass through the dendrite, then power is not supplied, and it dies.

В связи с вышеизложенным предлагается следующая формула изобретения.In connection with the foregoing, the following claims are proposed.

Перцептрон однослойный, включающий несколько регистрирующих импульсных нейронов, входы для входных сигналов-импульсных потоков, внутренние каналы связи от входов, в которых производят умножение входных сигналов на весовые коэффициенты и отправляют на сумматоры, связанные с пороговыми нелинейными возбудимыми элементами, генерирующими выходные одиночные импульсы или импульсные последовательности при превышении сигналами на выходах сумматоров порогового значения возбудимого нелинейного элемента, которые используют как выходные сигналы;The perceptron is single-layer, including several recording impulse neurons, inputs for input signals-impulse flows, internal communication channels from inputs, in which the input signals are multiplied by weights and sent to adders associated with threshold nonlinear excitable elements generating single output pulses or pulse sequences when the signals at the outputs of the adders exceed the threshold value of the excitable nonlinear element, which are used as output signals cash;

Отличающийся индивидуальными кластерами из части каналов связи в каждом из регистрирующих нейронов, которые пропускают часть входных сигналов; формирование кластеров и уравнивание количества каналов в кластерах осуществляют в соответствии с кодовыми комбинациями и структурой периодов парциальных составляющих входных импульсных потоков; далее производят безынерционное суммирование всех парциальных импульсных потоков на выходах кластеров; это реализуется для сигнала в виде суммарных импульсных потоков на выходах кластеров ε-почти-периодов с максимальной суммой амплитуд всех парциальных импульсных потоков; после безынерционного суммирования производят преобразование полученного сигнала пороговыми возбудимыми элементами, которые генерируют одиночные импульсы или импульсные последовательности при превышении максимальной суммой амплитуд импульсных потоков порогового значения возбудимых элементов, которые используют как выходные сигналы.Characterized by individual clusters from a portion of communication channels in each of the recording neurons that pass part of the input signals; the formation of clusters and equalization of the number of channels in the clusters is carried out in accordance with code combinations and the structure of the periods of the partial components of the input pulse flows; then they produce inertialess summation of all partial pulse flows at the outputs of the clusters; this is realized for the signal in the form of total pulse flows at the outputs of clusters of ε-near-periods with a maximum sum of amplitudes of all partial pulse flows; after inertialess summation, the received signal is converted by threshold excitable elements that generate single pulses or pulse sequences when the maximum sum of the amplitudes of pulse flows exceeds the threshold value of excitable elements that are used as output signals.

Технические результаты, на достижение которых направлено изобретениеTechnical results to which the invention is directed

Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, следующие:The technical results to which the invention is directed are as follows:

1) достижение избирательного распознавания входных объектов без использования весового взвешивания входных сигналов;1) achieving selective recognition of input objects without using weighting of input signals;

2) достижение возможности кодирования предлагаемым избирательным однослойным перцептроном входного объекта определенного типа номером канала или номером регистрирующего нейрона;2) the possibility of coding by the proposed selective single-layer perceptron of an input object of a certain type with a channel number or a recording neuron number;

3) сжатие входной информации благодаря сохранению только той информации об объектах, которая попадает в заданный канал или регистрирующий нейрон;3) compression of input information due to the preservation of only that information about objects that falls into a given channel or a recording neuron;

4) повышение быстродействия работы предлагаемого однослойного перцептрона;4) improving the performance of the proposed single-layer perceptron;

5) повышение надежности распознавания объектов при их большом количестве;5) improving the reliability of recognition of objects with a large number of them;

6) достижение значительно большей адекватности предлагаемого однослойного перцептрона реальному биологическому однослойному перцептрону.6) the achievement of significantly greater adequacy of the proposed single-layer perceptron to a real biological single-layer perceptron.

Совокупность достигаемых технических результатов, указанных в п. 1-6, достигается за счет следующей совокупности признаков, содержащихся в независимом пункте формулы:The set of achieved technical results specified in paragraphs 1-6, is achieved due to the following set of features contained in an independent claim:

1) индивидуальными кластерами из каналов связи в каждом из регистрирующих нейронов, кластеры формируют из части входных каналов связи отдельных нейронов;1) by individual clusters of communication channels in each of the recording neurons, clusters form individual neurons from part of the input communication channels;

2) формирование кластеров и уравнивание количества каналов в кластерах осуществляют в соответствии с кодовыми комбинациями входных сигналов;2) the formation of clusters and equalization of the number of channels in the clusters is carried out in accordance with the code combinations of the input signals;

3) кластеры из части каналов связи связывают с сумматорами.3) clusters from part of the communication channels are associated with adders.

Эффективность предлагаемого перцептрона реально доказана в разработанных нейросетевых системах для распознавания:The effectiveness of the proposed perceptron is actually proven in the developed neural network systems for recognition:

1. Распознавание цифр;1. Recognition of numbers;

2. Распознавание букв русского алфавита;2. Recognition of the letters of the Russian alphabet;

3. Распознавание текстов художественных произведений;3. Recognition of texts of fiction;

4. Распознавание автомобильных номеров;4. License plate recognition;

5. Распознавание электрокардиограмм (ЭКГ);5. Recognition of electrocardiograms (ECG);

6. Распознавание черно-белых портретов известных русских писателей и поэтов.6. Recognition of black and white portraits of famous Russian writers and poets.

Системы, указанные в п. 3, 5, 6, разработаны впервые и не имеют аналогов.The systems specified in paragraphs 3, 5, 6, were developed for the first time and have no analogues.

Еще одно обоснование эффективности предлагаемого однослойного перцептронаAnother justification for the effectiveness of the proposed single-layer perceptron

Косвенное обоснование эффективности предлагаемого однослойного перцептрона следует из замечательной работы выдающегося нейрофизиолога и нейропсихолога профессора Е.Н. Соколова, разработавшего векторную теорию восприятия сенсорной информации и памяти головного мозга [9, 21-24].An indirect justification of the effectiveness of the proposed single-layer perceptron follows from the remarkable work of the outstanding neurophysiologist and neuropsychologist Professor E.N. Sokolov, who developed the vector theory of perception of sensory information and brain memory [9, 21-24].

Рассмотрим базовые положения векторной теории восприятия, сформулированные в работе Е.Н. Соколова, которые можно использовать для подтверждения эффективности предлагаемого однослойного перцептрона. В работах Е.Н. Соколова в качестве входных объектов выступают предшествующий слой нейронов, называемый Е.Н. Соколовым предетектором. Сигналы от нейронов предетекторного слоя подаются на входы в слое нейронов, который следует считать однослойным перцептроном. Приведем некоторые из пунктов работы, где содержатся основные результаты, полученные Е.Н. Соколовым и его школой [9, 21-24].Consider the basic provisions of the vector theory of perception, formulated in the work of E.N. Sokolov, which can be used to confirm the effectiveness of the proposed single-layer perceptron. In the works of E.N. Sokolov as the input objects are the previous layer of neurons, called E.N. Falcon preceptor. Signals from neurons in the pre-detector layer are fed to the inputs in the neuron layer, which should be considered a single-layer perceptron. Here are some of the points in the paper that contain the main results obtained by E.N. Sokolov and his school [9, 21-24].

1. Вектор возбуждения - это комбинация возбуждений ограниченного числа нейронов предетекторов, образующих нейронный ансамбль.1. The excitation vector is a combination of excitations of a limited number of neurons of pretectors forming a neural ensemble.

2. Вектор возбуждения предетекторов характеризуется постоянством своей длины при всех стимулах, воздействующих на данный ансамбль предетекторов.2. The excitation vector of the pretectors is characterized by the constancy of its length for all stimuli acting on the given ensemble of pretectors.

5. Все векторы синаптических связей детекторов, получающих входы от данного ансамбля предетекторов, равны по своей длине.5. All vectors of synaptic connections of detectors receiving inputs from a given ensemble of pre-detectors are equal in length.

10. Максимальное возбуждение определенного детектора как элемента детекторной карты соответствует специфическому ощущению.10. The maximum excitation of a particular detector as an element of the detector card corresponds to a specific sensation.

Теория векторного восприятия Е.Н. Соколова подкреплена серией нейрофизиологических экспериментов, реализованной учениками проф. Е.Н. Соколова [9, 21-24]. Отметим некоторые базовые сходства и отличия положений векторной теории восприятия для подтверждения эффективности предлагаемого материального однослойного перцептрона.Theory of vector perception E.N. Sokolova is supported by a series of neurophysiological experiments implemented by students of prof. E.N. Sokolova [9, 21-24]. We note some basic similarities and differences in the provisions of the vector theory of perception to confirm the effectiveness of the proposed material single-layer perceptron.

1. Наличие характеристических свойств, векторов входного объекта (п. 1). Вектор возбуждения - это комбинация возбуждений ограниченного числа нейронов предетекторов, образующих нейронный ансамбль и расположенных в слое, предшествующем слою, в котором расположен рассматриваемый однослойный перцептрон. Таким образом, проф. Е.Н. Соколовым утверждается наличие для объекта на входе однослойного перцептрона отдельных характеристических векторов. В предлагаемом однослойном перцептроне характеристическими векторами можно считать характеристические кодовые комбинации входных объектов.1. The presence of characteristic properties, vectors of the input object (p. 1). An excitation vector is a combination of excitations of a limited number of precursor neurons forming a neural ensemble and located in the layer preceding the layer in which the considered single-layer perceptron is located. Thus, prof. E.N. Sokolov asserts the presence for the object at the input of a single-layer perceptron of individual characteristic vectors. In the proposed single-layer perceptron, characteristic vectors can be considered characteristic code combinations of input objects.

2. Постоянство длины характеристических векторов возбуждения (п.п. 2, 5). В предлагаемом однослойном перцептроне равенство длины характеристических векторов возбуждения отражено равенством числа каналов в специфических кластерах каждого из нейронов однослойного перцептрона.2. The constancy of the length of the characteristic excitation vectors (items 2, 5). In the proposed single-layer perceptron, the equality of the length of the characteristic excitation vectors is reflected by the equality of the number of channels in the specific clusters of each of the neurons of the single-layer perceptron.

3. Максимальное возбуждение определенного входного вектора соответствует специфическому ощущению (п. 10).3. The maximum excitation of a certain input vector corresponds to a specific sensation (p. 10).

Существенным элементом новизны предлагаемого однослойного перцептрона является в отличие от нейронных сетей, изучаемых в работах Е.Н. Соколова, формирование в нейронах перцептрона не векторов возбуждения, а кластеров из каналов связи, которыми являются в реальных нейронах дендриты, связывающие входы нейрона с его сомой (телом нейрона). Кластеры из каналов связи в однослойном перцептроне формируются в соответствии с выходными характеристическими кластерами объекта на входе. Существенно, что в целях нормирования интенсивности входных воздействий должно выполняться условие постоянства или практического равенства числа каналов связи в индивидуальных кластерах предлагаемого однослойного перцептрона.An essential element of the novelty of the proposed single-layer perceptron is, in contrast to the neural networks studied in the works of E.N. Sokolov, the formation of perceptron neurons not of excitation vectors, but clusters of communication channels, which are dendrites in real neurons that connect the inputs of a neuron with its soma (body of a neuron). Clusters from communication channels in a single-layer perceptron are formed in accordance with the output characteristic clusters of the object at the input. It is essential that, in order to normalize the intensity of input actions, the condition of constancy or practical equality of the number of communication channels in individual clusters of the proposed single-layer perceptron should be fulfilled.

Таким образом, можно сказать, что предлагаемый однослойный перцептрон является специфическим оригинальным устройством, представляющим материальное воплощение векторной теории проф. Е.Н. Соколова.Thus, we can say that the proposed single-layer perceptron is a specific original device representing the material embodiment of the vector theory of prof. E.N. Sokolova.

Раскрытие математической теории изобретения. Первая математическая теория изобретенияDisclosure of the mathematical theory of the invention. The first mathematical theory of invention

Рассмотрим математическую теорию предлагаемого однослойного перцептрона. Обозначим возможные характеристические кодовые комбинации объектов на входе нейрона в виде векторовConsider the mathematical theory of the proposed single-layer perceptron. We denote possible characteristic code combinations of objects at the input of a neuron in the form of vectors

x1=(xl1,…,x1n); …; xm=(xm1, …, xmn),x 1 = (x l1 , ..., x 1n ); ...; x m = (x m1 , ..., x mn ),

где n - число элементов кодовой комбинации; m-число возможных объектов. Все компоненты векторов считаем равными xij=А, либо xij=0. Таким образом, имеется m векторов xi=(xi1, …, xin) с размерностью n. В предлагаемом нейроне кластер связей представляет собой одну из этих кодовых комбинаций. Вообще говоря, все возможные кодовые комбинации образуют матрицу А, которую можно представить в видеwhere n is the number of elements of the code combination; m is the number of possible objects. We consider all components of the vectors equal x ij = A, or x ij = 0. Thus, there are m vectors x i = (x i1 , ..., x in ) with dimension n. In the proposed neuron, the cluster of links is one of these code combinations. Generally speaking, all possible code combinations form a matrix A, which can be represented as

Figure 00000003
Figure 00000003

Пусть конкретный рассматриваемый нами нейрон содержит кластер связей, характеризуемый кодовой комбинацией в видеLet the specific neuron we are considering contain a cluster of bonds characterized by a code combination in the form

xi=(xi1, …, xin).x i = (x i1 , ..., x in ).

При подаче на вход данного нейрона с номером i кодовой комбинации входного паттерна xk=(xk1, …, xkn) (из совокупности возможных на входе нейрона) получаем суммуWhen this neuron with the number i of the code combination of the input pattern x k = (x k1 , ..., x kn ) is fed to the input (from the set of possible at the input of the neuron) we get the sum

Figure 00000004
Figure 00000004

Всего мы получим m сумм Sik k=(1, …, m). Наибольшей будет сумма Sii In total we get m sums S ik k = (1, ..., m). The largest will be the sum of S ii

Figure 00000005
Figure 00000005

где NiA - число единиц в кодовой комбинации xi=(xi1, …, xin). Значение NiA принимается пороговым значением нейронов. Превышение этого значения приводит к появлению на выходе нейрона импульса или последовательности импульсов. Отметим следующее свойство сумм Sik where N i A is the number of units in the code combination x i = (x i1 , ..., x in ). The value of N i A is taken by the threshold value of the neurons. Exceeding this value leads to the appearance of a pulse or a sequence of pulses at the output of a neuron. We note the following property of the sums S ik

Sik<Sii.S ik <S ii .

Это строгое неравенство справедливо, поскольку сумма Sik содержат в своем составе большее количество слагаемых, равных произведениям 1·0, чем сумма Sii. Это свойство можно качественно сравнить со свойством ортогональных векторов или ортогональных функций. Оно не является строгой ортогональностью, ее можно считать ортогональностью в качественном смысле. Свойство может быть полезным при использовании предлагаемого динамического нейрона для распознавания объектов, кодировании номером канала и ряде других приложений. Вообще все возможные значения сумм Sij равны элементам матрицы В, равнойThis strict inequality is true, since the sum S ik contains a larger number of terms equal to the products 1 · 0 than the sum S ii . This property can be qualitatively compared with the property of orthogonal vectors or orthogonal functions. It is not strict orthogonality, it can be considered orthogonality in a qualitative sense. The property can be useful when using the proposed dynamic neuron for object recognition, channel number coding, and a number of other applications. In general, all possible values of the sums S ij are equal to the elements of the matrix B equal to

B=AAT,B = AA T ,

где AT - транспонированная матрица к А.where A T is the transposed matrix to A.

Как следует из приведенного математического анализа предлагаемого однослойного импульсного перцептрона, кластеризация каналов связи в нейронах перцептрона обеспечивает следующие фундаментальные функции перцептрона: 1) избирательность к определенным свойствам паттернам входного объекта; 2) избирательное распределение паттернов по каналам на выходе перцептрона или то, что называют кодированием номером канала.As follows from the mathematical analysis of the proposed single-layer impulse perceptron, clustering of communication channels in perceptron neurons provides the following fundamental functions of the perceptron: 1) selectivity to certain properties of the input object patterns; 2) the selective distribution of patterns across the channels at the output of the perceptron or what is called coding the channel number.

Таким образом, первая математическая теория, применяемая для раскрытия изобретения, позволяет: 1) описать избирательные свойства однослойного паттерна; 2) произвести нормирование кластеров из каналов связи за счет уравнивания числа каналов в кластере; 3) оценить величину артефактов при выделении конкретных каналов; 4) осуществить кодирование по номеру канала; 5) удалять избыточную входную информацию путем отсеивания информации, на которую кластеры каналов не настроены. Отметим сразу, что фундаментальные свойства почти-периодических функций (о чем подробнее будет сказано далее) не позволяют осуществить избирательное выделение входных паттернов и избирательное распределение по каналам на выходе однослойного перцептрона, то есть осуществить кодирование номером канала. Все перечисленные выше свойства могут быть достигнуты именно благодаря управляемой кластеризации каналов связи каждого из нейронов, входящих в состав однослойного перцептрона.Thus, the first mathematical theory used to disclose the invention allows: 1) to describe the selective properties of a single-layer pattern; 2) to normalize the clusters from communication channels by equalizing the number of channels in the cluster; 3) evaluate the magnitude of artifacts in the allocation of specific channels; 4) carry out coding by channel number; 5) remove redundant input information by sifting out information that channel clusters are not configured for. We note right away that the fundamental properties of almost-periodic functions (which will be discussed in more detail below) do not allow selective selection of input patterns and selective distribution over channels at the output of a single-layer perceptron, that is, encoding with a channel number. All of the above properties can be achieved precisely due to the controlled clustering of communication channels of each of the neurons that make up the single-layer perceptron.

Раскрытие второй математической теории изобретения в части математической теории преобразования импульсных потоков нейроном с помощью фундаментальных свойств почти-периодических функцийDisclosure of the second mathematical theory of the invention in terms of the mathematical theory of the conversion of pulsed flows by a neuron using the fundamental properties of almost-periodic functions

Импульсная электрическая активность нейронов создает в нервной системе импульсные потоки. В первом приближении эти потоки представляют суммы периодических импульсных функций. Периодическая импульсная функция задана на интервале [0,∞), имеет период Tt, то есть

Figure 00000006
. Импульсные последовательности нейронов для исследования процессов суммации в первом приближении можно аппроксимировать последовательностями прямоугольных импульсов ν(t) с периодом Т=1/ƒ (ƒ - частота). На интервале периодаThe pulsed electrical activity of neurons creates impulse flows in the nervous system. To a first approximation, these flows represent the sums of periodic impulse functions. The periodic impulse function is given on the interval [0, ∞), has a period T t , i.e.
Figure 00000006
. Pulse sequences of neurons for studying summation processes in a first approximation can be approximated by sequences of rectangular pulses ν (t) with a period T = 1 / ƒ (ƒ is the frequency). In the period interval

Figure 00000007
Figure 00000007

Общий импульсный поток равен сумме парциальных импульсных потоков, являющихся периодическими функциямиThe total impulse flow is equal to the sum of the partial impulse flows, which are periodic functions

Figure 00000008
Figure 00000008

где ui(t) - отдельные парциальные импульсные потоки (i=1, …, N) с периодами Ti. Результирующий импульсный поток является равномерной почти-периодической функцией [7-9]. Основным свойством равномерных почти-периодических функций является существование для любого сколь угодно малого числа ε, соответствующего ε-почти-периода Tε, обладающих свойствомwhere u i (t) are individual partial impulse flows (i = 1, ..., N) with periods T i . The resulting impulse flow is a uniform almost periodic function [7–9]. The main property of uniform almost-periodic functions is the existence for any arbitrarily small number ε corresponding to an ε-almost-period T ε having the property

Figure 00000009
Figure 00000009

Другое фундаментальное свойство почти-периодической функции: ε-почти-периоды лежат на оси времени [0,∞) всюду плотно. Множество Е действительных чисел называется всюду плотным, если существует такое число l>0, что в каждом интервале действительной оси длины l (α<x<α+l) найдется хотя бы одно число множества Е [7-9]. Рассмотрим теорему Кронекера, являющуюся следствием базовой теоремы для теории почти-периодической функции [8, 10, 11].Another fundamental property of an almost-periodic function: ε-almost-periods lie on the time axis [0, ∞) is dense everywhere. A set E of real numbers is called everywhere dense if there exists a number l> 0 such that in each interval of the real axis of length l (α <x <α + l) there is at least one number of the set E [7-9]. We consider the Kronecker theorem, which is a consequence of the basic theorem for the theory of an almost periodic function [8, 10, 11].

Теорема. Пусть T1, Т2, …, TN - произвольные действительные числа. Каково бы ни было число положительное число ε, можно указать такое положительное число L=L(ε), что в каждом интервале длины L найдется по крайней мере одно число τ, удовлетворяющее системе неравенствTheorem. Let T 1 , T 2 , ..., T N be arbitrary real numbers. Whatever the number ε is a positive number, one can indicate a positive number L = L (ε) such that in each interval of length L there is at least one number τ satisfying the system of inequalities

Figure 00000010
Figure 00000010

где ni - натуральные числа. Согласно теореме Кронекера существует ε-почти-период почти-периодической функции, удовлетворяющей соотношению (1). Согласно фундаментальному свойству почти-периодических функций существует t, такое чтоwhere n i are natural numbers. According to the Kronecker theorem, there exists an ε-almost-period of an almost-periodic function satisfying relation (1). According to the fundamental property of almost-periodic functions, there exists t such that

Figure 00000011
Figure 00000011

то

Figure 00000012
; t-ε<t<t+ε.then
Figure 00000012
; t-ε <t <t + ε.

При этом существует ε-почти-период функцииMoreover, there exists an ε-almost-period of the function

Figure 00000013
Figure 00000013

такой, что

Figure 00000014
. После прохождения нелинейного преобразователя с характеристикой F получим на его выходе импульсную последовательностьsuch that
Figure 00000014
. After passing through a nonlinear converter with characteristic F, we obtain the pulse sequence at its output

Figure 00000015
Figure 00000015

при этом |uε(t+Tε)-uε(t)|<ε.moreover, | u ε (t + T ε ) -u ε (t) | <ε.

Сумма нескольких импульсных последовательностей представляет собой равномерную почти-периодическую функцию [8, 10, 11]. Согласно теореме Кронекера такая функция имеет сгущения и разряжения импульсов, следующие с интервалами ε-почти-периодов. Рассмотрим иллюстрацию ε-почти-периодов. Сигналы на входах и на выходах нейронов можно представить в виде суммы почти-периодических функций, как показано на фиг. 9 слева, суммарный импульсный поток показан выше оси времени на фиг. 9 справа.The sum of several pulse sequences is a uniform almost periodic function [8, 10, 11]. According to the Kronecker theorem, such a function has condensations and discharges of pulses that follow with intervals of ε-almost-periods. Consider the illustration of ε-almost-periods. The signals at the inputs and outputs of neurons can be represented as the sum of almost periodic functions, as shown in FIG. 9 to the left, the total impulse flow is shown above the time axis in FIG. 9 on the right.

Фиг. 9. Схематическое изображение последовательности электрических импульсов нейрона в виде прямоугольных импульсов слева. Четыре импульсные последовательности с периодами T1-T4, ε-почти-период приблизительно равен Tε=8T1=4T2=3T3=2T4. ε-почти-период заключен между двумя максимумами. Сгущения и разрежения для импульсных потоков с несоизмеримыми периодами следования импульсов

Figure 00000016
показаны справа.FIG. 9. A schematic representation of the sequence of electrical impulses of a neuron in the form of rectangular pulses on the left. Four pulse sequences with periods T 1 -T 4 , ε-almost-period is approximately equal to T ε = 8T 1 = 4T 2 = 3T 3 = 2T 4 . The ε-near-period is enclosed between two maxima. Thickening and rarefaction for pulsed flows with incommensurate pulse repetition periods
Figure 00000016
shown on the right.

Максимальная амплитуда суммы импульсов достигается через ε-почти-период и равна 4А=2, где А - амплитуда импульса, равная 0,5. В пределах

Figure 00000017
происходит суммирование амплитуд импульсов, происходящее через каждые ε-почти-периоды. Следствие из теоремы аппроксимации показывает возможность использования почти периодических функций в задачах нейроинформатики. Известно, что для возбуждения нейрона необходимо, чтобы сумма импульсов, пришедших по дендритам, превышала порог возбуждения. Специфическое свойство почти-периодических функций - существование ε-почти-периодов - позволяет осуществить это требование.The maximum amplitude of the sum of the pulses is reached through the ε-near-period and is equal to 4A = 2, where A is the pulse amplitude of 0.5. Within
Figure 00000017
a summation of the amplitudes of the pulses occurs, occurring every ε-almost-periods. A corollary of the approximation theorem shows the possibility of using almost periodic functions in neuroinformatics problems. It is known that in order to excite a neuron, it is necessary that the sum of pulses arriving at dendrites exceed the excitation threshold. A specific property of almost-periodic functions — the existence of ε-almost-periods — allows us to fulfill this requirement.

Для раскрытия изобретения из приведенной выше второй математической теории следует, что фундаментальные свойства почти-периодических функций позволяют осуществить безынерционное суммирование парциальных импульсных потоков и образование максимальных значений амплитуд, следующих через почти-периоды почти-периодической функции, которой является результирующий импульсный поток.To disclose the invention from the above second mathematical theory, it follows that the fundamental properties of almost-periodic functions allow for inertialess summation of partial impulse flows and the formation of maximum amplitudes following the almost-periods of an almost-periodic function, which is the resulting impulse stream.

Вторая математическая теория, применяемая для раскрытия изобретения, позволяет описать механизмы безынерционного суммирования импульсных потоков, приходящих в сому нейрона для последующего порогового возбуждения генератора отдельных импульсов или последовательностей. Очень важно, что другого эффективного механизма суммирования максимальных значений импульсных потоков не существует в биологии, физике, математике. Нет также другого более эффективного носителя информации в нейробиологии, кроме импульсных потоков. Имеется естественный способ генерирования импульсных потоков с помощью возбудимой ткани, реагирующей на превышение порога возбуждения одним или серией импульсов. Совокупность таких возбуждений образует импульсный поток.The second mathematical theory, used to disclose the invention, allows to describe the mechanisms of inertial summation of impulse flows coming into the neuron soma for the subsequent threshold excitation of the generator of individual pulses or sequences. It is very important that no other effective mechanism for summing the maximum values of impulse flows exists in biology, physics, and mathematics. There is also no other more effective medium of information in neurobiology, except for pulsed flows. There is a natural way to generate pulsed flows using an excitable tissue that responds to exceeding the threshold of excitation with one or a series of pulses. The combination of such excitations forms a pulsed flow.

Инженеры, специалисты, ученые знают, что бинарные последовательности хороши для анализа работы нейронных сетей на быстродействующих ЭВМ, но категорически непригодны в качестве носителей информации в нейробиологии.Engineers, specialists, scientists know that binary sequences are good for analyzing the operation of neural networks on high-speed computers, but are categorically unsuitable as information carriers in neurobiology.

На основании экспериментальных фактов в нейробиологии установлено в первом приближении одинаковое значение импульсных потоков, приходящих непосредственно от дендритов и импульсных потоков, приходящих через синапсы. Установлено, что величина максимального значения импульсного потока на основании фундаментальных свойств почти-периодических функций обусловлена максимальным значением суммы импульсных потоков, приходящих непосредственно по дендритам и через синапсы. Естественно учитывается роль возбуждающих (положительных) и тормозных (отрицательных) синапсов.Based on experimental facts in neurobiology, the same value of impulse flows coming directly from dendrites and impulse flows coming through synapses has been established to a first approximation. It has been established that the maximum value of the pulse flow based on the fundamental properties of almost periodic functions is due to the maximum value of the sum of the pulse flows coming directly from dendrites and through synapses. Naturally, the role of excitatory (positive) and inhibitory (negative) synapses is taken into account.

Механизмы безынерционного суммирования импульсных потоков, приходящих в сому нейрона для последующего порогового возбуждения генератора отдельных импульсов или последовательностей, обладают свойствами инвариантности, позволяющими реализовать безынерционное суммирование устойчиво и надежно.The mechanisms of inertial summation of impulse flows arriving in the neuron soma for the subsequent threshold excitation of a generator of individual impulses or sequences have invariance properties that make it possible to realize inertialess summation stably and reliably.

Существенно, что различие периодов парциальных импульсных потоков, поступающих на входы, в первом приближении не оказывает влияния на максимальное значение их суммы, автоматически получаемое благодаря фундаментальным свойствам почти-периодических функций. Это обусловлено тем, что максимальные значения почти-периодической функции, представляющей результирующий импульсный поток, не зависят от того, какая часть периодов парциальных импульсных потоков, составляющих весь импульсный поток, имеет те или иные периоды. То есть максимальное значение не зависит от структуры периодов составляющих импульсного потока. Это базовое свойство почти-периодических функций делает механизм образования максимального значения устойчивым, а саму систему безынерционного суммирования на основе фундаментальных свойств почти-периодических функций надежной в реальных условиях. Вывод такой: все составляющие парциальные потоки могут иметь либо один и тот же период следования, либо различные периоды, в крайнем случае, все парциальные импульсные потоки могут иметь различные периоды следования, образуя как бы мозаику периодов. Общее максимальное значение суммы максимальных значений парциальных периодов, следующее через ε-почти период будет одно и то же, оно равноIt is significant that the difference in the periods of the partial pulse flows arriving at the inputs, to a first approximation, does not affect the maximum value of their sum, which is automatically obtained due to the fundamental properties of almost-periodic functions. This is due to the fact that the maximum values of the almost-periodic function representing the resulting pulse flow do not depend on how much of the periods of the partial pulse flows that make up the entire pulse flow have certain periods. That is, the maximum value does not depend on the structure of the periods of the components of the pulse flow. This basic property of almost-periodic functions makes the mechanism of maximum value formation stable, and the system of inertialess summation based on the fundamental properties of almost-periodic functions reliable in real conditions. The conclusion is this: all components of partial flows can have either the same repetition period or different periods, in the extreme case, all partial impulse flows can have different repetition periods, forming a mosaic of periods. The total maximum value of the sum of the maximum values of the partial periods following through the ε-almost period will be the same, it is equal to

Figure 00000018
Figure 00000018

где Ai, Bj - максимальные значения амплитуд возбуждающих и тормозных парциальных импульсных потоков.where A i , B j are the maximum amplitudes of the exciting and inhibitory partial pulse flows.

Рассмотрим более подробно свойства инвариантности безынерционного суммирования парциальных импульсных потоков. Инвариантность общего импульсного потока имеет место по двум основным параметрам импульсного потока: по мозаике периодов парциальных импульсных потоков и по количеству отдельных парциальных составляющих в общем потоке. Покажем это математически. Значение максимальной суммы общего импульсного потока в случае парциальных импульсных потоков с периодами T1, T2, …, Tl равноLet us consider in more detail the invariance properties of the inertialess summation of partial impulse flows. The invariance of the total impulse flow takes place in two main parameters of the impulse flow: in the mosaic of the periods of partial impulse flows and in the number of individual partial components in the total flow. We show it mathematically. The value of the maximum sum of the total pulse flow in the case of partial pulse flows with periods T 1 , T 2 , ..., T l is

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

где N - общее количество парциальных импульсных потоков. Независимость максимальной амплитуды общего импульсного потока от мозаики периодов парциальных импульсных потоков следует из фундаментальных свойств почти-периодических функций, а именно, от парциальных периодов зависит ε-почти-период, а величина Amax от ε-почти-периода не зависит. Отсюда и следует инвариантность Amax от мозаики периодов парциальных импульсных потоков.where N is the total number of partial pulse flows. The independence of the maximum amplitude of the total impulse flow from the mosaic of periods of partial impulse flows follows from the fundamental properties of almost-periodic functions, namely, ε-almost-period depends on partial periods, and A max does not depend on ε-almost-period. This implies the invariance of A max from the mosaic of periods of partial impulse flows.

Раскрытие изобретения в вычислительном экспериментеDisclosure of the invention in a computational experiment

Рассмотрим процесс формирования кластеров в предлагаемом однослойном перцептроне в вычислительном эксперименте. Рассмотрим 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. На телевизионном экране с растром 4×6 располагаются цифры. Для цифр взята система Euclid. Система Euclid позволяет получить приемлемое кодирование цифр с помощью символов 0 и 1. Изображение цифр в системе Euclid приведено на фиг. 10.Consider the process of cluster formation in the proposed single-layer perceptron in a computational experiment. Consider 10 digits: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. On a television screen with a 4 × 6 raster, there are numbers. For numbers, the Euclid system is taken. The Euclid system makes it possible to obtain an acceptable coding of numbers using the characters 0 and 1. The image of the numbers in the Euclid system is shown in FIG. 10.

Фиг. 10. Изображение цифр в системе Euclid.FIG. 10. Image of numbers in the Euclid system.

Кодировка цифр, то есть значения входных сигналов - векторов x1=(xl1, …, xln); …; xm=(xm1, …, xmn), приведена в таблице 1. В дальнейшем полагаем, что значению единица соответствует период импульсной последовательности Т1=0.8, значению ноль - Т2=1.2The coding of numbers, that is, the values of the input signals - vectors x 1 = (x l1 , ..., x ln ); ...; x m = (x m1 , ..., x mn ), are given in table 1. In the future, we assume that the value of one corresponds to the period of the pulse sequence T 1 = 0.8, the value zero - T 2 = 1.2

Figure 00000021
Figure 00000021

Таблица кодовых комбинаций при распознавании цифр 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 при их расположении в двумерном поле 4×6.Table of code combinations for the recognition of the numbers 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 when they are located in a two-dimensional 4 × 6 field.

Рассмотрим однослойный перцептрон, у которого в 2-х нейронах на выходе сформированы кластеры, настроенные на цифры 2 и 8. Более подробно описание формирования кластеров приведено ниже. Нейроны со сформированными кластерами показаны на фиг. 11. С левой стороны от изображения нейронов приведены бинарные кодовые комбинации цифр 2 и 8, в соответствии с которыми и формируется кластер каналов связи каждого нейрона. Каждая черная клетка отражает парциальный импульсный поток с определенным периодом следования. Совокупность черных клеток отражает результирующий импульсный поток.Let us consider a single-layer perceptron, in which clusters tuned to the numbers 2 and 8 are formed in 2 neurons at the output. A more detailed description of the formation of clusters is given below. Cluster formed neurons are shown in FIG. 11. On the left side of the image of neurons, binary code combinations of numbers 2 and 8 are shown, in accordance with which a cluster of communication channels of each neuron is formed. Each black cell reflects a partial impulse flow with a certain repetition period. The black cell population reflects the resulting impulse flow.

Фиг. 11. Пример предлагаемых импульсных нейронов, имеющих сформированные кластеры по кодовым комбинациям цифры 2 - сверху, по кодовым комбинациям цифры 8 - снизу. Каждая черная клетка отражает парциальный импульсный поток с определенным периодом следования. Совокупность черных клеток отражает результирующий импульсный поток. Белому цвету соответствует отсутствие парциальных импульсных потоков.FIG. 11. An example of the proposed impulse neurons having formed clusters according to the code combinations of the numbers 2 - from above, according to the code combinations of the numbers 8 - from the bottom. Each black cell reflects a partial impulse flow with a certain repetition period. The black cell population reflects the resulting impulse flow. White color corresponds to the absence of partial pulse flows.

Полагаем, что черному цвету соответствуют парциальные импульсные потоки с периодами 0.8, количество этих потоков равно 7, и импульсные потоки с периодами 1.2, количество этих потоков равно 7. Общее количество потоков равно 14, амплитуда каждого из парциальных потоков А=1. Взаимодействие импульсных последовательностей с периодами T1=0.8 и Т2=1.2 иллюстрируется фиг. 12 сверху. На фиг. 12 снизу показано взаимодействие импульсных последовательностей с периодами T1=0.9 и T2=1.2.We believe that partial impulse flows with periods of 0.8 correspond to black, the number of these flows is 7, and impulse flows with periods of 1.2, the number of these flows is 7. The total number of flows is 14, the amplitude of each of the partial flows is A = 1. The interaction of the pulse sequences with periods T 1 = 0.8 and T 2 = 1.2 is illustrated in FIG. 12 on top. In FIG. 12 below shows the interaction of pulse sequences with periods T 1 = 0.9 and T 2 = 1.2.

Фиг. 12. Иллюстрация инвариантности безынерционного суммирования, основанного на фундаментальных свойствах почти-периодических функций, относительно периодов парциальных импульсных потоков. Показано на рисунке сверху взаимодействие 7-ми импульсных последовательностей с периодами Т1=0.8 и амплитудами A=1 и 7-ми импульсных последовательностей с периодами T2=1.2 и амплитудами А=1 ε-почти-период равен 2.4. На фиг. 12 снизу показано взаимодействие 7-ми импульсных последовательностей с периодами T1=0.9 и амплитудами А=1 и 7-ми импульсных последовательностей с периодами Т2=1.2 и амплитудами А=1; ε-почти-период равен 3.6.FIG. 12. Illustration of the invariance of inertialess summation, based on the fundamental properties of almost-periodic functions, with respect to the periods of partial impulse flows. It is shown in the figure above that the interaction of 7 pulse sequences with periods T 1 = 0.8 and amplitudes A = 1 and 7 pulse sequences with periods T 2 = 1.2 and amplitudes A = 1 ε-almost-period is 2.4. In FIG. 12 below shows the interaction of 7 pulse sequences with periods T 1 = 0.9 and amplitudes A = 1 and 7 pulse sequences with periods T 2 = 1.2 and amplitudes A = 1; ε-almost-period is 3.6.

Фиг. 12 иллюстрирует свойства инвариантности безынерционного суммирования, основанного на фундаментальных свойствах почти-периодических функций, относительно периодов парциальных импульсных потоков. Видно, что максимальное значение суммы парциальных импульсных потоков остается неизменным и равным 14.FIG. 12 illustrates the invariance properties of inertialess summation, based on the fundamental properties of almost-periodic functions, with respect to the periods of partial impulse flows. It is seen that the maximum value of the sum of the partial pulse flows remains unchanged and equal to 14.

Инвариантность безынерционного суммирования, основанного на фундаментальных свойствах почти-периодических функций, относительно количества импульсов в парциальных импульсных потоках иллюстрируется фиг. 13.The invariance of inertialess summation, based on the fundamental properties of almost-periodic functions, with respect to the number of pulses in partial pulse flows is illustrated in FIG. 13.

Фиг. 13. Иллюстрация инвариантности безынерционного суммирования, основанного на фундаментальных свойствах почти-периодических функций, относительно количества импульсов в парциальных импульсных потоках. На фиг.13 слева показано взаимодействие 7-ми импульсных последовательностей с периодами Т1=0.8 и амплитудами А=1 и 7-ми импульсных последовательностей с периодами Т2-1.2 и амплитудами А=1. ε-почти-период равен 2.4. Импульсные потоки с периодом 0.8 показаны пунктирной линией, импульсные потоки с периодом 1.2 показаны сплошной линией. На фиг.13 справа показано взаимодействие 9-ти импульсных последовательностей с периодами Т1=0.8 и амплитудами А=1 и 5-ти импульсных последовательностей с периодами Т2=1.2 и амплитудами А=1. ε-почти-период равен 2.4.FIG. 13. Illustration of the invariance of inertialess summation, based on the fundamental properties of almost-periodic functions, with respect to the number of pulses in partial pulse flows. On Fig left shows the interaction of 7 pulse sequences with periods T 1 = 0.8 and amplitudes A = 1 and 7 pulse sequences with periods T 2 -1.2 and amplitudes A = 1. ε-almost-period is 2.4. Pulse flows with a period of 0.8 are shown by a dashed line, pulsed flows with a period of 1.2 are shown by a solid line. On Fig to the right shows the interaction of 9 pulse sequences with periods T 1 = 0.8 and amplitudes A = 1 and 5 pulse sequences with periods T 2 = 1.2 and amplitudes A = 1. ε-almost-period is 2.4.

Полагаем, что общее количество импульсов, характеризующих входной паттерн, равно 14. Импульсы с меньшим периодом следования показаны пунктирной линией. На фиг.13 слева показано взаимодействие 7-ми импульсных последовательностей с периодами T1=0.8 и амплитудами А=1 и 7-ми импульсных последовательностей с периодами T2=1.2 и амплитудами А=1. ε-почти-период равен 2.4. На фиг.13 справа показано взаимодействие 9-ти импульсных последовательностей с периодами Т1=0.8 и амплитудами А=1 и 5-ти импульсных последовательностей с периодами T2=1.2 амплитудами А=1. ε-почти-период равен 2.4. Видно, что максимальное значение суммы парциальных импульсных потоков остается неизменным и равным 14.We believe that the total number of pulses characterizing the input pattern is 14. Pulses with a shorter repetition period are shown by a dashed line. On Fig left shows the interaction of 7 pulse sequences with periods T 1 = 0.8 and amplitudes A = 1 and 7 pulse sequences with periods T 2 = 1.2 and amplitudes A = 1. ε-almost-period is 2.4. On Fig to the right shows the interaction of 9 pulse sequences with periods T 1 = 0.8 and amplitudes A = 1 and 5 pulse sequences with periods T 2 = 1.2 with amplitudes A = 1. ε-almost-period is 2.4. It is seen that the maximum value of the sum of the partial pulse flows remains unchanged and equal to 14.

В заключение рассмотрим на примере, как происходит распознавание цифры 2 из 10-ти возможных цифр импульсным нейроном, кластер из каналов связи которого настроен на цифру 2. Импульсный нейрон, кластер из каналов связи которого настроен на цифру 2, реагирует на цифру 2, как показано на фиг. 12 сверху. При этом происходит взаимодействие 7-ми импульсных последовательностей с периодами Т1=0.8 и амплитудами А=1 и 7-ми импульсных последовательностей с периодами Т2=1.2 и амплитудами А=1, при этом ε-почти-период равен 2.4. Отметим, что для кодовых комбинаций цифры 2 и цифры 8 справедливы соотношенияIn conclusion, let us consider an example of how the recognition of the digit 2 of 10 possible digits by a pulsed neuron, the cluster of communication channels of which is configured to number 2. A pulsed neuron, a cluster of communication channels of which is configured to number 2, responds to figure 2, as shown in FIG. 12 on top. In this case, 7 pulse sequences interact with periods of T 1 = 0.8 and amplitudes A = 1 and 7 pulse sequences with periods of T 2 = 1.2 and amplitudes A = 1, and the ε-near-period is 2.4. Note that for code combinations of digits 2 and digits 8, the relations

Figure 00000022
Figure 00000022

Figure 00000023
Figure 00000023

Таким образом, если порог Uпор=14, то нейрон, кластер которого сформирован по кодовым комбинациям цифры 2, идентифицирует эту цифру и не реагирует на кодовую комбинацию цифры 8, поскольку S28<S22 или 9<10. С другой стороны, когда нейрон, настроенный на цифру 2, реагирует на эту цифру, другие нейроны, общее число которых равно 10, на эту цифру не реагируют, поскольку для них S2i<14(i≠2). Мы привели простейший пример использования предлагаемого однослойного перцептрона для распознавания цифр. Предлагаемый однослойный перцептрон был использован для решения более сложных задач, например для распознавания букв русского алфавита, распознавания слов, распознавания фраз. Предлагаемый однослойный перцептрон может быть использован также для решения и различных других прикладных задач.Thus, if the threshold is U pore = 14, then the neuron whose cluster is formed by the code combinations of the number 2 identifies this number and does not respond to the code combination of the number 8, since S 28 <S 22 or 9 <10. On the other hand, when a neuron tuned to number 2 reacts to this number, other neurons, the total number of which is 10, do not respond to this number, since for them S 2i <14 (i ≠ 2). We have given the simplest example of using the proposed single-layer perceptron for digit recognition. The proposed single-layer perceptron was used to solve more complex problems, for example, for recognizing the letters of the Russian alphabet, for recognizing words, for recognizing phrases. The proposed single-layer perceptron can also be used to solve various other applied problems.

ЗаключениеConclusion

Можно сделать заключение, что два механизма обработки импульсных потоков на основе управляемой кластеризации входных каналов связи и на основе фундаментальных свойств почти-периодических функций позволяют в целом реализовать основные функции однослойного перцептрона: 1) избирательность к определенным свойствам или паттернам входного объекта; 2) избирательное распределение паттернов по каналам на выходе перцептрона или то, что называют кодированием номером канала. Предлагаемый однослойный перцептрон позволяет осуществить безынерционное устойчивое, независимое от периодов парциальных импульсных потоков суммирование амплитуд парциальных импульсных потоков и образование максимальных значений амплитуд, следующих через почти-периоды почти-периодической функции, поскольку результирующий импульсный поток является почти-периодической функцией.We can conclude that two mechanisms for processing pulse flows based on controlled clustering of input communication channels and on the basis of the fundamental properties of almost periodic functions allow us to generally implement the basic functions of a single-layer perceptron: 1) selectivity to certain properties or patterns of the input object; 2) the selective distribution of patterns across the channels at the output of the perceptron or what is called coding the channel number. The proposed single-layer perceptron allows the inertia-free, stable, independent of the periods of partial pulsed flows summation of the amplitudes of the partial pulsed flows and the formation of maximum amplitudes following the almost-periods of the almost-periodic function, since the resulting pulsed flow is an almost-periodic function.

ЛИТЕРАТУРА LITERATURE

1. Александров Ю.И., Анохин К.В., Соколов Е.Н., Греченко Т.Н. и др. Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование. Фундаментальное руководство // Изд-во Тюменского государственного университета. 2008. 548 с.1. Alexandrov Yu.I., Anokhin K.V., Sokolov E.N., Grechenko T.N. et al. Neuron. Signal processing. Plastic. Modeling. Fundamental leadership // Publishing house of the Tyumen State University. 2008.548 s.

2. Анохин К.В., Бурцев М.С., Ильин В.А., Киселев И.И., Кукин К.А., Лахман К.В., Параскевов А.В., Рыбка Р.Б., Сбоев А.Г., Твердохлебов Н.В. Современные подходы к моделированию активности культур нейронов in vitro / Математическая биология и биоинформатика. 2012. Т. 7. №2. С. 372-397.2. Anokhin K.V., Burtsev M.S., Ilyin V.A., Kiselev I.I., Kukin K.A., Lakhman K.V., Paraskevov A.V., Rybka RB, Sboev A.G., Tverdokhlebov N.V. Modern approaches to modeling the activity of cultures of neurons in vitro / Mathematical biology and bioinformatics. 2012.V. 7. 2. S. 372-397.

3. Борисов В. В. Модель нейрона. Патент № RU 2034332, G06G 7/60 1995.3. Borisov VV Model of a neuron. Patent No. RU 2034332, G06G 7/60 1995.

4. Бызов А.Л. Электрофизиологические исследования сетчатки. - М.: Наука 1966 г. 196 с.4. Byzov A.L. Electrophysiological studies of the retina. - M .: Science 1966, 196 p.

5. Вассерман Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика // М.: «Мир», 1992.5. Wasserman F. Neurocomputer technology: Theory and practice // M .: "World", 1992.

6. Гутман А. Дендриты нервных клеток: теория электрофизиология, функция. 19846. Gutman A. Nerve cell dendrites: theory of electrophysiology, function. 1984

7. Казанцев В.Б., Некоркин, В.И., Велардэ М.Г. Модель нейрона с осцилляторной активностью ниже порога возбуждения // Известия вузов. Радиофизика. 1998. №. 41. С. 1623-1635.7. Kazantsev V. B., Nekorkin, V. I., Velarde M. G. A model of a neuron with oscillatory activity below the threshold of excitation // News of universities. Radiophysics. 1998. No. 41.S. 1623-1635.

8. Левитан Б.М. Почти-периодические функции.// ГИТТЛ. 1953,396 с.8. Levitan B.M. Almost-periodic functions.// GITTL. 1953,396 p.

9. Лебедев А.Н. Психофизиология памяти. // Психофизиология. 2-е издание / под ред. Ю.И. Александрова / М.: «Инфра-М», 2001. С. 128-141.9. Lebedev A.N. Psychophysiology of memory. // Psychophysiology. 2nd edition / ed. Yu.I. Alexandrova / M.: Infra-M, 2001. S. 128-141.

10. Мазуров М.Е. Решение диофантовых неравенств в задачах о синхронизации релаксационных колебаний // ЖВМ и МФ АН СССР. 1991. Т. 31. №11. С. 1619-1636.10. Mazurov M.E. Solution of Diophantine inequalities in the problems of synchronization of relaxation oscillations // ZhVM and MF AN SSSR. 1991.Vol. 31. No. 11. S. 1619-1636.

11. Мазуров М. Е. Идентификация математических моделей нелинейных динамических систем // М.: - Ижевск. РХД. 2008. 284 с.11. Mazurov M. E. Identification of mathematical models of nonlinear dynamical systems // M .: - Izhevsk. RHD. 2008.284 s.

12. Мак-Каллок У., Питтс В. Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности // Нейрокомпьютер. -1992. - №3/4. - С. 40-50.12. McCallock W., Pitts V. The logical calculus of ideas related to nervous activity // Neurocomputer. -1992. - No. 3/4. - S. 40-50.

13. Маркин В.С, Пастушенко В.Ф., Чизмаджев Ю.А. Теория возбудимых сред // М.: Наука. 1981. 276 с.13. Markin V.S., Pastushenko V.F., Chizmadzhev Yu.A. Theory of Excitable Media // M .: Science. 1981. 276 p.

14. Минский М., Пейперт С. Персептроны = Perceptions. - М.: «Мир», 1971.14. Minsky M., Peypert S. Perceptrons = Perceptions. - M.: “World”, 1971.

15. Некоркин, В.И., Дмитричев, А.С., Щапин, Д.С., Казанцев В.Б. Динамика модели нейрона со сложно-пороговым возбуждением // Математическое моделирование 2005. №6. С. 75-91.15. Nekorkin, V.I., Dmitrichev, A.S., Shchapin, D.S., Kazantsev V.B. Dynamics of a neuron model with complex threshold excitation // Mathematical Modeling 2005. No. 6. S. 75-91.

16. Прокин И.С., Казанцев В.Б. Анализ передачи импульсных сигналов в системе взаимодействующих нейронных генераторов с частотно-зависимыми связями // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2011. V. 54, №11. С. 848-858.16. Prokin I.S., Kazantsev V.B. Analysis of the transmission of pulsed signals in a system of interacting neural generators with frequency-dependent connections // News of universities. Radiophysics. 2011. V. 54, No. 11. S. 848-858.

17. Розенблатг Ф. Принципы нейродинамики: перцептроны и теория механизмов мозга. Principles of Neurodynamic: perceptions and the theory of brain mechanisms. M: «Мир», 1965.17. Rosenblatt F. Principles of neurodynamics: perceptrons and theory of brain mechanisms. Principles of Neurodynamic: perceptions and the theory of brain mechanisms. M: The World, 1965.

18. Самойлин E. А. Способ моделирования нейрона. Патент RU 2402813, G06N 3/06 -2010.18. Samoilin E. A. The method of modeling a neuron. Patent RU 2402813, G06N 3/06 -2010.

19. Смолянинов В.В. О некоторых особенностях организации коры мозжечка. Статья в сборнике «Модели структурно-функциональной организации некоторых биологических систем» // М.: Наука, 1966, с. 203-262.19. Smolyaninov VV On some features of the organization of the cerebellar cortex. An article in the collection "Models of the structural and functional organization of some biological systems" // M .: Nauka, 1966, p. 203-262.

20. Смолянинов В.В. Математические модели биологических тканей. // М: Наука, 1980, 368 с.20. Smolyaninov V.V. Mathematical models of biological tissues. // M: Nauka, 1980, 368 pp.

21. Соколов Е.Н. Принцип векторного кодирования в психофизиологии. Вестник МГУ. Серия 14. Психология, 1995, №4.21. Sokolov E.N. The principle of vector coding in psychophysiology. Bulletin of Moscow State University. Series 14. Psychology, 1995, No. 4.

22. Соколов Е.Н., Вайткявичус Г.Г. Нейроинтеллект: от нейрона к нейрокомпьютеру. М.: Наука, 1989.22. Sokolov E.N., Vaitkevichus G.G. Neurointelligence: from a neuron to a neurocomputer. M .: Nauka, 1989.

23. Соколов Е.Н. Нейронные механизмы памяти и обучения. М., 1981.23. Sokolov E.N. Neural mechanisms of memory and learning. M., 1981.

24. Соколов Е.Н. Восприятие и условный рефлекс: новый взгляд. М., 2003.24. Sokolov E.N. Perception and conditioned reflex: a new look. M., 2003.

25. Субботин С.А. Аналитический обзор изобретений и патентов. Нейрокибернетика в СССР-СНГ. Запорожский национальный технический университет.25. Subbotin S.A. Analytical review of inventions and patents. Neurocybernetics in the USSR-CIS. Zaporizhzhya National Technical University.

26. Тикиджи-Хамбурьян Р.А. Анализ влияния генератора спайков на динамические свойства модифицированного импульсного нейрона // Тез. док. 5-ой Всероссийской научно-технической конференции Нейроинформатика. 2003, М.: МИФИ, 2003, с. 134-141.26. Tikiji-Khamburyan R.A. Analysis of the influence of the spike generator on the dynamic properties of a modified impulse neuron // Proc. doc 5th All-Russian Scientific and Technical Conference Neuroinformatics. 2003, M .: MEPhI, 2003, p. 134-141.

27. Тикиджи-Хамбурьян Р.А. Модифицированный импульсный нейрон как базовая модель для реалистичных нейронных сетей // Нейрокомпьютеры: разработка и применение, №7, 2002.27. Tikiji-Khamburyan R.A. Modified impulse neuron as a basic model for realistic neural networks // Neurocomputers: development and application, No. 7, 2002.

28. Хайкин Саймон. Нейронные сети: полный курс = Neural Networks: A Comprehensive Foundation. - 2-е изд. - М.: «Вильяме», 2006. - С. 1104. - ISBN 0-13-273350-128. Khaikin Simon. Neural Networks: Full Course = Neural Networks: A Comprehensive Foundation. - 2nd ed. - M .: "William", 2006. - S. 1104. - ISBN 0-13-273350-1

29. Шепард Г. Нейробиология. В 2-х т.Т. 1. Пер. с англ. // М.: Мир, 1987. 454 с.29. Shepard G. Neurobiology. In 2 T.T. 1. Trans. from English // M .: Mir, 1987.445 s.

30. Fitzhugh R. Impulses and Physiological States in Theoretical Models of Nerve Membrane. // Biophysical journal. 1961. V. 1, №6. P. 445-466.30. Fitzhugh R. Impulses and Physiological States in Theoretical Models of Nerve Membrane. // Biophysical journal. 1961. V. 1, No. 6. P. 445-466.

31. Hindmarsh J.L., Rose R.M. A model of the nerve impulse using two first-order differential equations. // Nature. Nature Publishing Group, 1982. V. 296, №5853. P. 162-164.31. Hindmarsh J.L., Rose R.M. A model of the nerve impulse using two first-order differential equations. // Nature. Nature Publishing Group, 1982. V. 296, No. 5853. P. 162-164.

32. Hodgkin A.L., Huxley A.F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve // The J. of physiology. 1952. V. 117, №4. P. 500-544.32. Hodgkin A.L., Huxley A.F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve // The J. of physiology. 1952. V. 117, No. 4. P. 500-544.

33. Izhikevich E.M. Simple model of spiking neurons. // IEEE transactions on neural networks / a publication of the IEEE Neural Networks Council. 2003. V. 14, №6. P. 1569-1572.33. Izhikevich E.M. Simple model of spiking neurons. // IEEE transactions on neural networks / a publication of the IEEE Neural Networks Council. 2003. V. 14, No. 6. P. 1569-1572.

34. Izhikevich E.M., FitzHugh R. FitzHugh-Nagumo model // Scholarpedia, 3193, 2006.34. Izhikevich E.M., FitzHugh R. FitzHugh-Nagumo model // Scholarpedia, 3193, 2006.

35. Lapicque M.L. Recherches quantitatives sur l′excitation

Figure 00000024
des Nerfs
Figure 00000025
comme une Polarisation [Quantitative studies on electric excitation of nerves treated as polarization] // Journal de Physiologie et Pathologie General. 1907. V. 9. P. 620-635.35. Lapicque ML Recherches quantitatives sur l′excitation
Figure 00000024
des nerfs
Figure 00000025
comme une Polarisation [Quantitative studies on electric excitation of nerves treated as polarization] // Journal de Physiologie et Pathologie General. 1907. V. 9. P. 620-635.

36. Morris C., Lecar H. Voltage oscillations in the barnacle giant muscle fiber. // Biophysical journal. 1981. V. 35, №1. P. 193-213.36. Morris C., Lecar H. Voltage oscillations in the barnacle giant muscle fiber. // Biophysical journal. 1981. V. 35, No. 1. P. 193-213.

Claims (1)

Перцептрон однослойный, включающий несколько регистрирующих импульсных нейронов, входы для входных сигналов - импульсных потоков, внутренние каналы связи от входов, в которых производят умножение входных сигналов на весовые коэффициенты и отправляют на сумматоры, связанные с пороговыми нелинейными возбудимыми элементами, генерирующими выходные одиночные импульсы или импульсные последовательности при превышении сигналами на выходах сумматоров порогового значения возбудимого нелинейного элемента, которые используют как выходные сигналы; отличающийся индивидуальными кластерами из части каналов связи в каждом из регистрирующих нейронов, которые пропускают часть входных сигналов; формирование кластеров и уравнивание количества каналов в кластерах осуществляют в соответствии с кодовыми комбинациями и структурой периодов парциальных составляющих входных импульсных потоков; далее производят безынерционное суммирование всех парциальных импульсных потоков на выходах кластеров; это реализует для сигнала в виде суммарных импульсных потоков на выходах кластеров ε-почти-периодов с максимальной суммой амплитуд всех парциальных импульсных потоков; после безынерционного суммирования производят преобразование полученного сигнала пороговыми возбудимыми элементами, которые генерируют одиночные импульсы или импульсные последовательности при превышении максимальной суммой амплитуд импульсных потоков порогового значения возбудимых элементов, которые используют как выходные сигналы. A single-layer perceptron, including several recording impulse neurons, inputs for input signals - impulse flows, internal communication channels from inputs, in which the input signals are multiplied by weights and sent to adders associated with threshold nonlinear excitable elements generating single output pulses or pulse sequences when the signals at the outputs of the adders exceed the threshold value of the excitable nonlinear element, which are used as output s persecutors; characterized by individual clusters from part of the communication channels in each of the recording neurons, which pass part of the input signals; the formation of clusters and equalization of the number of channels in the clusters is carried out in accordance with code combinations and the structure of the periods of the partial components of the input pulse flows; then they produce inertialess summation of all partial pulse flows at the outputs of the clusters; this implements for a signal in the form of total pulse flows at the outputs of clusters of ε-near-periods with a maximum sum of amplitudes of all partial pulse flows; after inertialess summation, the received signal is converted by threshold excitable elements that generate single pulses or pulse sequences when the maximum sum of the amplitudes of pulse flows exceeds the threshold value of excitable elements that are used as output signals.
RU2015105935/08A 2015-02-24 2015-02-24 Single-layer perceptron, simulating real perceptron properties RU2597496C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015105935/08A RU2597496C1 (en) 2015-02-24 2015-02-24 Single-layer perceptron, simulating real perceptron properties

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015105935/08A RU2597496C1 (en) 2015-02-24 2015-02-24 Single-layer perceptron, simulating real perceptron properties

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2597496C1 true RU2597496C1 (en) 2016-09-10

Family

ID=56892606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015105935/08A RU2597496C1 (en) 2015-02-24 2015-02-24 Single-layer perceptron, simulating real perceptron properties

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2597496C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111082949A (en) * 2019-10-29 2020-04-28 广东工业大学 Method for efficiently transmitting pulse data packets in brain-like computer
RU2748257C2 (en) * 2019-02-26 2021-05-21 Михаил Ефимович Мазуров Information encoding method in pulsed neural networks

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2034332C1 (en) * 1992-12-11 1995-04-30 Вадим Владимирович Борисов Neuron model
RU2269155C2 (en) * 2003-08-22 2006-01-27 Евгений Александрович Самойлин Neuron model, realizing logical nonequivalence function
US20140156574A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Brain Corporation Rate stabilization through plasticity in spiking neuron network
US20140317035A1 (en) * 2011-08-17 2014-10-23 Botond Szatmary Apparatus and methods for event-based communication in a spiking neuron networks

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2034332C1 (en) * 1992-12-11 1995-04-30 Вадим Владимирович Борисов Neuron model
RU2269155C2 (en) * 2003-08-22 2006-01-27 Евгений Александрович Самойлин Neuron model, realizing logical nonequivalence function
US20140317035A1 (en) * 2011-08-17 2014-10-23 Botond Szatmary Apparatus and methods for event-based communication in a spiking neuron networks
US20140156574A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Brain Corporation Rate stabilization through plasticity in spiking neuron network

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2748257C2 (en) * 2019-02-26 2021-05-21 Михаил Ефимович Мазуров Information encoding method in pulsed neural networks
CN111082949A (en) * 2019-10-29 2020-04-28 广东工业大学 Method for efficiently transmitting pulse data packets in brain-like computer
CN111082949B (en) * 2019-10-29 2022-01-28 广东工业大学 Method for efficiently transmitting pulse data packets in brain-like computer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Deep spiking convolutional neural network trained with unsupervised spike-timing-dependent plasticity
Pei et al. Noise-mediated spike timing precision from aperiodic stimuli in an array of Hodgekin-Huxley-type neurons
Hu et al. A spike-timing-based integrated model for pattern recognition
Corradi et al. ECG-based heartbeat classification in neuromorphic hardware
Tapson et al. Synthesis of neural networks for spatio-temporal spike pattern recognition and processing
US20100312736A1 (en) Critical Branching Neural Computation Apparatus and Methods
Rahimian et al. Xceptiontime: A novel deep architecture based on depthwise separable convolutions for hand gesture classification
Osipov et al. Space–time signal binding in recurrent neural networks with controlled elements
Liu et al. Fast unsupervised learning for visual pattern recognition using spike timing dependent plasticity
RU2597496C1 (en) Single-layer perceptron, simulating real perceptron properties
Liaw et al. Dynamic synapse: Harnessing the computing power of synaptic dynamics
Folowosele et al. Towards a cortical prosthesis: Implementing a spike-based HMAX model of visual object recognition in silico
Harkin et al. Parallel and recurrent cascade models as a unifying force for understanding subcellular computation
Dalgaty et al. Bio-inspired architectures substantially reduce the memory requirements of neural network models
Jose et al. A survey on spiking neural networks in image processing
RU2598298C2 (en) Near-real impulse neuron
RU2597497C2 (en) Single-layer perceptron based on selective neurons
Pribram Prolegomenon for a holonomic brain theory
Bartlett Information maximization in face processing
RU2597495C2 (en) Neuron simulation of real neuron properties
Zhou et al. How does perceptual discriminability relate to neuronal receptive fields?
Hendin et al. Decomposition of a mixture of signals in a model of the olfactory bulb.
Fryz et al. Justification of the mathematical model of steady-state visual evoked potentials as a linear random process
Yu et al. Rapid feedforward computation by temporal encoding and learning with spiking neurons
RU2748257C2 (en) Information encoding method in pulsed neural networks

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180225