Биофизика взаимосвязи нейрофизиологического и физического уровней модели и среды


В версии 2.0 реализованы базовые физические и биологические функции тела, которые могут быть "иннервированы" пользователем при создании "нейронной сети". Следующие версии дополнятся другими, более сложными вариантами "телесной организации" модели, в частности, с большим количеством рецепторов, воспринимающих объекты из более дифференцированных областей среды. У пользователя есть возможность выбора необходимого варианта тела модели.

Функции "обмена веществ и энергии" (при этом энергия рассматривается как основное содержание этого обмена и эквивалент "вещества"). Количественные параметры этих функций устанавливаются в соответствующих панелях управления.
  • Расход энергии на перемещение (движение и/или поворот).
  • Расход энергии на единицу времени жизни.
  • Поступление энергии при поглощении "пищи".
  • Расход энергии (повреждение) при контакте с "опасностью".
  • Прекращение перемещения - "засыпание" при снижении уровня энергии до ноля.

Сенсорные функции

Среда воздействует на тело модели независимо от наличия соответствующих рецепторов, но для отражения этих воздействий в "нервной системе" модели она должна иметь "нейроны", расположенные на соответствующих рецепторных областях - частях "тела", чувствительных к воздействиям среды.

Первый тип тела модели, заложенный в NPS версии 2.0-2.1, имеет 8 рецепторных областей:
  • Пища слева-впереди и справа-впереди (на расстоянии от тела, равном или меньшем, чем заданная чувствительность рецепторов).
  • Поглощение пищи телом (при "наползании" на пищу).
  • Опасность слева-впереди и справа-впереди (на расстоянии от тела, равном или меньшем, чем заданная чувствительность рецепторов).
  • Повреждение от опасности (при "наползании" на пищу).
  • Голод - при снижении уровня энергии до заданного уровня, достаточного для возбуждения "рецептора голода", при дальнейшем снижении уровня энергии возбуждение нарастает.
  • Препятствие (при столкновении с препятствием, находящимся впереди по направлению попытки движения).
Начиная с версии 2.2 в состав NPS входит еще один тип тела модели. Тело второго типа имеет 22 рецепторные области:

- Рецепторы объектов впереди по ходу движения тела (на расстоянии от тела, равном или меньшем, чем заданная чувствительность рецепторов).
  • Пища.
  • Опасность.
  • Препятствие.
  • Х-объект (не имеющий непосредственного "биологического смысла" и способный выполнять сигнальную роль в рефлексах).
- Рецепторы объектов справа.
  • Пища.
  • Опасность.
  • Препятствие.
  • Х-объект.
- Рецепторы объектов сзади..
  • Пища.
  • Опасность.
  • Препятствие.
  • Х-объект.
- Рецепторы объектов слева.
  • Пища.
  • Опасность.
  • Препятствие.
  • Х-объект.
- Контактные рецепторы объектов (находящихся в "области тела").
  • Пища (в контакте с телом, что позволяет ее усвоить, если в этот момент времени запущено активное действие по поглощению пищи).
  • Повреждение (единичный контакт с опасностью).
  • Столкновение с препятствием, находящимся впереди по направлению попытки движения (с дистантно ощущаемым препятствием - объектом среды или с невидимой* стенкой - границей поля).
  • Х-объект.
- Рецепторы физического состояния тела.
  • Голод.
  • Поглощение пищи.
* В случае, если специфический эксперимент требует сделать все препятствия видимыми - достаточно нарисовать вдоль границ поля полоски из объектов-препятствий. Все препятствия можно сделать и невидимыми. Как и любой другой объект, они становятся невидимыми для модели при отсутствии "иннервации" соответствующего рецептора. Физическое взаимодействие с телом модели при этом сохраняется.

Величина импульсации рецепторных элементов, также как и импульсация мотонейронов, зависит не только от поступающих воздействий, но и от максимальной импульсации для данной модели.

Рецепторные поля

Рецепторные поля дистантных рецепторов - области среды, в которых объекты определенного вида "ощущаются" рецептором. Эти области среды определяются относительно тела модели (см. также рисунки).

Чувствительность дистантных рецепторов имеет размерность области существования модели - "плоско-прямоугольную". То есть, поскольку условная единица измерения поля одинаково равна единице как по оси координат, так и по диагонали между осями, то и перемещение модели и ее "ощущения" соответствуют этой размерности - одинаковы как по оси координат, так и по диагонали. В ином случае существовало бы рассогласование между дистантными характеристиками рецепции и моторики, что нарушало бы целостность взаимодействия модели со средой на элементарном уровне моделируемого "мира".

58_1_pre.gifРецепторные поля дистантных рецепторов тела типа 1.

Поля левого и правого рецепторов частично пересекаются "спереди" тела модели.
Благодаря значительному пересечению полей здесь возможно моделирование взаимодействий между отражениями одного и того же объекта разными рецепторами. В частности, пересекаются следующие поля:
  • дистантных рецепторов - друг с другом в области непосредственно впереди по ходу движения модели;
  • каждого дистантного и контактного рецептора - в области, соответствующей размеру тела модели.
58_2_pre.gifРецепторные поля дистантных рецепторов тела типа 2.

Тело этого типа имеет более дифференцированную сенсорную систему. Кроме количества рецепторов, это проявляется также в том, что в этом типе тела никакие дистантные и контактные рецепторные поля не пересекаются друг с другом. В определенным смысле пересекаются только рецепторные поля контактного ощущения пищи и ее поглощения (поскольку последний процесс осуществляется в контакте с пищей).

Рецепторные поля контактных рецепторов соответствуют области тела модели (рецепторы поглощения пищи, повреждения) или его внешнему контуру (рецептор столкновения с препятствием).

Моторные функции

Тело может взаимодействовать со средой независимо от наличия соответствующих "активирующих" взаимодействие нейронов (например, столкновение с препятствием и объективно неизбежное прекращение движения в его направлении или повреждение от контакта с опасностью осуществляется без "подсказки" нервной системы).

Но для относительно сложного взаимодействия, осуществляемого под управлением нервной системы (например, для передвижения к пище), модель должна иметь "нейроны", расположенные на соответствующих моторных областях - частях "тела", осуществляющих активное взаимодействие со средой.

Тело модели в NPS версий 2.0-2.1 (тело первого типа) имеет 3 моторных области:
  • Перемещение тела вперед (на максимальный заданный "шаг" или его целую часть - в соответствии с величиной импульсации).
  • Поворот тела вправо (единичный шаг поворота - 45°).
  • Поворот тела влево (единичный шаг поворота - 45°).
Очередность выполнения действий определяется очередностью номеров нейроэлементов, выбранных для управления этими моторными областями. Например, если в области поворота вправо находится элемент # 3, а в области перемещения вперед - # 5, то сначала будет выполнен поворот и затем - перемещение вперед.

Величина перемещения (в том числе поворота) модели зависит от текущей величины импульсации соответствующего мотонейрона и от максимальной импульсации для данной модели.

Величина перемещения тела модели вперед прямо пропорциональна величине импульсации соответствующего "мотонейрона" и заданному в физиологических параметрах максимальному шагу перемещения, и обратно пропорциональная заданному там же максимуму импульсации.

Кроме этого, величина любого действия тела зависит от "сглаживающего" градиента эфферентации, или градиента влияния мотонейрона на моторное поле. Это параметр регулируется через панель физиологических параметров и задает величину снижения влияния мотонейронов на функциональные поля тела. На эту величину при расчете увеличивается общий максимум импульсации модели. Это позволяет при работе с низкими максимумами импульсации устанавливать "ступенчатость" влияния мотонейронов на поля, поскольку максимум действия будет соответствовать, например, не одному, а большему количеству импульсов. Для возможности получения более одного импульса на поле (при максимуме импульсации = 1) и реализации этого "сглаживания" необходимо использовать также суммацию и/или множественное иннервирование поля несколькими нейроэлементами.

При величине импульсации от 0 до частного от деления максимума импульсации на максимальный шаг перемещения - перемещение отсутствует.

В таблице ниже показаны величины поворота в соответствии с величиной импульсации "мотонейрона" поворота, выражаемой через долю от максимума импульсации для данной модели.

Импульсация эффектора Поворот
0-1/3 от максимума нет
1/3 - 2/3 от максимума 45°
2/3-1 от максимума 90°
Несмотря на минимальный шаг поворота, равный 45°, модель может реализовывать и более тонкие направления - путем комбинации перемещений вперед и последовательных поворотов в разные стороны (аналогично движению рыбы в воде).

При величине импульсации от 0 до 1/3 максимума импульсации - поворот отсутствует.

Предел поворота в единицу времени, равный 90°, является относительным, поскольку может быть "преодолен" совместным возбуждением двух или более мотонейронов, размещенных на одном функциональном поле поворота. При максимальном возбуждении каждого из них, каждый нейроэлемент будет вызывать поворот на 90° и в сумме за единицу времени осуществится поворот на величину более 90°.

Начиная с версии 2.2 в программу включен второй тип тела, который имеет 4 моторных области. Дополнительный мотонейрон осуществляет:
  • Активное поглощение пищи (в отличие от тела первого типа, где поглощение пищи осуществлялось пассивно и для этого достаточно было контакта пищи с телом модели).
Действие - поглощение пищи в едином цикле времени выполняется после перемещения (независимо от порядка номеров управляющих нейроэлементов) - так что тело сначала перемещается и затем поглощает пищу (при ее наличии в "новой" области среды и при активности мотонейрона, вызывающего поглощение пищи). С другой стороны, в эту же единицу времени реализуется отражение новой среды - и в том числе поглощаемая пища. И тогда эта пища одновременно вызывает ощущения контакта и поглощенности.

Суммация длительного (в т.ч. "подпорогового") влияния мотонейрона на моторное поле

Для моделирования разных динамических характеристик взаимодействия мотонейрона с исполнительным органом (мышцей и т.п.) введен специальный параметр периода суммации влияния мотонейрона на соответствующую функциональную (моторную) область тела. Например, при количественной обработке влияния мотонейрона на "поворотный орган" модели может учитываться или только активность мотонейрона в текущую единицу времени, или суммарная активность за N последних единиц времени (включая текущую).

В последнем случае возможно моделирование действий модели с учетом относительно низкой скорости реализации физического действия по сравнению со скоростью восприятия и переработки информации в нейросети.

Если суммарное влияние достаточно для действия (например, поворота), оно реализуется с удалением накопленного влияния. Если суммарное влияние недостаточно для действия - текущее влияние мотонейрона сохраняется для возможности последующей суммации в следующих единицах времени.

Организация взаимодействия нескольких нейроэлементов в одной функциональной области модели

При размещении на одном функциональном поле каждый рецептор или мотонейрон действует самостоятельно, но в то же время в определенной связи с элементами, иннервирующими то же самое поле. Это позволяет моделировать некоторые дополнительные варианты восприятия среды и организации движений. В частности:
  • Если это нейроэлементы в области рецептора пищи слева, то все они будут возбуждаться при нахождении пищи в этой области. Но их уровень возбуждения может быть разным - если у них разные пороги.
  • Если это мотонейроны в области поворота вправо, то при их совместном возбуждении каждый из них будет вызывать дополнительный поворот - как будто они вызывают дополнительное (усиленное) сокращение мышечного волокна.
  • В случае совместного действия нескольких мотонейронов на одно поле возможно превышение реализуемого действия над заданным его максимумом (в панели физиологических параметров). Например, при максимуме перемещения вперед, равном 2 единицам расстояния, модель может передвинуться за единицу времени и на 6 единиц - если соответствующее моторное поле иннервируется тремя возбужденными нейроэлементами. То же самое верно и для максимального поворота (90°), и для максимума поглощения пищи.
  • Суммация влияния мотонейронов на функциональные области тела (как за определенный период, так и в текущую единицу времени) реализуется совместно - для каждой функциональной области в целом. Поэтому "подпороговое" возбуждение нескольких мотонейронов в одной области в сумме может вызвать соответствующее действие.