Содержание моделей нейропсихологической системы и её среды

В программе NPS реализован многоуровневый подход к моделированию нейропсихологических систем, позволяющий воссоздать в модели уровневую организацию биосистемы.

В соответствии с этим в модели выделяются следующие уровни организации, от "верхнего", максимально общего - к "нижнему", основанию модели:
  • Общесистемный, или поведенческий - на котором осуществляется поведение системы как единого целого, выделяемого из среды и взаимодействующего с нею. Этот уровень воспроизводит свойства поведенческого уровня реальных нейропсихологических систем.
  • Физиологический - на котором выделяются отдельные элементы системы (аналоги нейронов или их участков) и осуществляется их взаимодействие друг с другом, а также с объектами среды. Этот уровень воспроизводит свойства нейрофизиологического уровня реальных организмов. Основные объекты этого уровня - модели нейронов, которые могут находиться в разных состояниях, определяющих их участие в переработки информации. Каждое состояние нейрона характеризуется показателем импульсации, или активности нейрона. Импульсация может изменяться от ноля (отсутствие импульсации) до максимума.
  • Анатомический - на котором определяется физическое расположение отдельных элементов системы относительно друг друга, объектов среды относительно друг друга, а также системы как целого относительно объектов среды.
  • Математический - искусственный заменитель биологического субстрата организма, образованный из математических объектов. Более высокие уровни воспроизводят свойства нейрофизиологического и поведенческого уровней реальных нейропсихологических систем. Эти уровни являются вторичными моделями. Они образованы из математических моделей нейронов и связей между ними, которые в целом характеризуются уже не математическими свойствами, а специфическими особенностями динамики нейронов и их взаимосвязей.
Процессы, протекающие на разных уровнях, представлены в соответствующих окнах программы - системном (поведение системы в целом), физиологическом (организация и взаимодействие возбудимых элементов) и математическом. При этом анатомический уровень системы частично представлен в системном окне (положение тела и объектов среды), а частично - в окнах физиологических и математических процессов (положение элементов модели друг относительно друга).

 

В следующей версии NPS эта уровневая структура будет дополнена открытым для прямого наблюдения и воздействия информационным, или психологическим уровнем - моделирующим отражение системой объектов в форме образов и других психических явлений.

Базовыми элементами модели, из которых строится нейросеть, являются нейроэлементы - формальные аналоги нейронов или их относительно самостоятельных подсистем (а также надсистем), обеспечивающих функции простейшей переработки сигналов. В качестве такого элемента может, например, выступать проводящий участок аксона, принимающий и передающий импульсацию. Моделирование его в качестве отдельного элемента может быть полезным, например, для воссоздания пресинаптического торможения и тому подобных эффектов, основанных на взаимодействии не целых нейронов, а их участков.

 

Каждый элемент характеризуется несколькими параметрами, которые могут изменяться с помощью команд меню или управляющих панелей программы:
  • Текущее состояние, определяемое показателем импульсации элемента, изменяемой от 0 до общесистемного максимума импульсации, задаваемого в панели физиологических параметров модели. При импульсации, равной 0, элемент находится в состоянии покоя. В случае, если максимум равен 1, то другое возможное состояние элемента есть единичный импульс. Если же максимум импульсации больше 1, то и других состояний может быть больше. Максимум импульсации и определяет, сколько импульсов (элементарных активных состояний) может реализовать нейрон в расчетную единицу времени модели. Если максимум равен 1, то в каждую единицу времени нейрон может находиться только в одном из двух состояний - активном или пассивном (есть или нет импульса). Если же максимум импульсации равен 2 или более, то в каждую единицу времени модели нейрон может характеризоваться разной величиной импульсации.
  • Пороговый коэффициент (число от 0 до 1000) - определяет степень влияния поступающих воздействий (от других элементов и среды) на импульсацию нейроэлемента в следующую единицу времени. При максимуме импульсации, равном единице, это "ступенчатый" порог, определяющий минимальное влияние, необходимое для перехода нейроэлемента в активное состояние (импульс). При максимуме импульсации, большем единицы, этот коэффициент определяет степень "сглаживания" поступающих воздействий при преобразовании их в собственную импульсацию элемента. Чем выше этот показатель, тем более плавно будет возрастать импульсация элемента по мере возрастания силы поступающих воздействий. Кроме этого, существует общесистемная поправка порога, которая изменяет пороговые коэффициенты всех элементов на одну и ту же величину, обеспечивая понижение или повышение возбудимости системы в целом. Визуально пороговый коэффициент демонстрируется в виде черной дуги, опоясывающей изображение элемента на физиологическом уровне. Полная окружность этой дуги соответствует показателю порога в 1000 единиц - при максимуме импульсации, равном 1, и 200 единиц - при более высоких максимумах импульсации. В последнем случае пороги выше 200 единиц благодаря "сглаживанию" входящей импульсации пока используются редко и могут быть необходимы только для сбора импульсации с большого количества элементов.
Зависимость "степени сглаживания" новой импульсации от поступающей афферентации и порогового коэффициента показана на графиках:

Элементы объединяются отношениями, определяющими их взаимодействие друг с другом. Каждое отношение характеризуется направленностью, знаком и весом (значимостью):

  • Направленность определяет, какой элемент оказывает воздействие на какой другой или тот же самый элемент (посредством данного отношения).
  • Знак отношения определяет вид влияния первого элемента - на второй. Это влияние может быть возбуждающим и тормозным. В числом выражении отношения его знак соответствует знаку числа - положительному или отрицательному.
  • Вес отношения - это степень влияния первого элемента на второй. Чем больше вес, тем выше степень влияния (возбуждения или торможения). При весе, равном нулю, влияние отсутствует. Количественно вес выражается модулем числа, определяющего отношение между элементами.
Все указанные характеристики каждого отношения определяются тремя числами - # влияющего элемента, # зависимого элемента, и весом связи, выраженным в условных единицах (целое число от -1000 до 1000).

Конкретное выражение влияния одного элемента на другой определяется множеством параметров - импульсацией исходного элемента, весом связи, порогом зависимого элемента, максимальной импульсацией, а также общей суммой влияний на зависимый элемент со стороны всех остальных элементов и объектов среды. Результирующая импульсация зависимого элемента зависит от всех этих параметров.

Расчет новой импульсации каждого элемента производится на математическом уровне организации модели последовательно для каждого элемента в текущую единицу времени с учетом всех влияний на него со стороны других элементов и внешних объектов. Результирующее состояние элемента также зависит от общих физиологических параметров модели - чувствительности рецепторов и т.д.

Различные комбинации указанных выше характеристик отношений позволяют моделировать и те свойства нейрона, которые напрямую не предусмотрены в параметрах нейроэлемента. Например, зависимость будущего состояния нейрона от его прошлого состояния можно задать через связь, обращенную на себя. Положительное значение такой связи будет поддерживать или даже усиливать импульсацию, а отрицательное - наоборот, препятствовать возбуждению в следующую единицу времени (после текущего возбуждения).

Кроме положения отдельных элементов модели относительно друг друга, в окнах физиологического и математического уровней также указывается вид моторных и рецепторных функциональных областей тела, которые обеспечивают взаимодействие управляющей нейросистемы и объектов - тела и среды модели.

Это такие области тела модели, которые осуществляют различные информационные и физические функции взаимодействия тела с его "нервной системой" и с окружающей средой. Различные виды тела модели различаются именно своими функциональными областями - их количеством, дифференцированностью и другими параметрами.

Моторные области - аналоги сократительных волокон или других органов, обеспечивающих перемещение или другие активные действия биосистемы благодаря своему сокращению (или иному физическому преобразованию) при приеме возбуждения.

Рецепторные области - аналоги чувствительных клеток, способных преобразовывать воздействие среды или физического состояния организма в импульсацию, вызывающую возбуждение связанных с ними нейронов.

В случае, если в этих областях расположены модели нейронов, они выполняют функции мотонейронов и рецепторов. Если та или иная область тела пуста (органы не "иннервируется"), соответствующая физическая функция телом модели выполняется без отражения в "нервной системе".

В версии 2.0 реализованы базовые физические и биологические функции тела, которые могут быть "иннервированы" пользователем при создании "нейронной сети". В последующих версиях вводятся новые варианты "тела" модели, обеспечивающие разные комбинации биофизических функций тела. Основные виды этих функций:

Функции "обмена веществ и энергии" (при этом энергия рассматривается как основное содержание этого обмена и эквивалент "вещества").

  • Расход энергии на перемещение (движение и/или поворот), при повреждении в результате контакта с "опасностью", а также на единицу времени жизни.
  • Поступление энергии при поглощении "пищи".
  • Прекращение перемещения - "засыпание" при снижении уровня энергии до ноля.

Сенсорные функции.

  • Ощущение "пищи", "опасности" или "препятствия" в определенном направлении от тела модели.
  • Голод (уровень энергии ниже заданного уровня ощущения голода).
  • Ощущение "поглощения пищи" при наползании тела на объект-"пищу" или в результате активного ее "поедания" (в зависимости от соответствующих характеристик "тела" модели).
  • Ощущение "повреждения" при наползании тела на объект-"опасность".
  • Ощущение столкновения с объектом - "препятствием" или границей поля.

Моторные функции.

  • Перемещение тела вперед.
  • Поворот тела вправо или влево.
  • Активное поедание пищи (при наличии соответствующей возможности у выбранного типа тела модели).

"Иннервирование" всех этих функциональных областей тела модели осуществляется пользователем путем расположения в них моделей нейронов. Многие из этих функций имеют количественные параметры, которые могут регулироваться - например, чувствительность рецепторов. Величина импульсации рецепторных элементов, также как и импульсация мотонейронов, зависит не только от поступающих воздействий, но и от максимальной импульсации для данной модели. В свою очередь, величина перемещения (в том числе поворота) модели зависит от величины импульсации соответствующего мотонейрона.

Более подробно эти биофизические функции разных типов тел модели раскрыты в соответствующем разделе данного описания - Биофизика.


Нейрофизиологический и математический уровни организации модели имеют свое продолжение в соответствующих уровнях среды. Модель среды нейрофизиологической системы представлена ее полем перемещения - "жизненным пространством", а также объектами разного вида:

  • Модель пищи - объект, несущий определенный запас энергии/вещества, "усваиваемый" моделью нейропсихологической системы при контакте.
  • Модель опасности - объект, вызывающий повреждение (потерю энергии/вещества) при контакте с системой; сам "опасный объект" при этом не разрушается.
  • Модель препятствия - объект, препятствующий перемещению системы (аналогичен "ограждению" поля).

Все виды объектов могут размещаться и удаляться пользователем с помощью панели управления "средой обитания" модели.