Компьютерное моделирование биологического нейрона
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Кубанский государственный университет
Физико-технический факультет
Кафедра радиофизики и нанотехнологий
Дипломная работа
Компьютерное моделирование биологического нейрона
Работу выполнил Попко К.С.
Специальность 010801, Радиофизика и электроника
Научный руководитель
Заведующий кафедрой радиофизики и нанотехнологий,
профессор, член-корреспондент АИН РФ Г.Ф. Копытов
Краснодар 2012
Реферат
Попко К.С. Компьютерное моделирование работы нервной клетки. Дипломная работа:17 рис., 17 источников.
Нейрон, искусственный нейрон, нейронные сети, интеллектуальные устройства.
Объектом разработки данной дипломной работы является программа, предназначенная для моделирования работы биологического нейрона.
Целью работы является разработка компьютерной модели биологического нейрона. Основные результаты дипломной работы заключаются в следующем:
- выделены основные механизмы работы биологического нейрона и воссозданы пороговые принципы ограничения потенциала нейрона, а также торможения и возбуждения с их временными зависимостями;
- предложена система дифференциальных уравнении, описывающая работу биологического нейрона;
- разработан алгоритм работы модели биологического нейрона;
- разработана компьютерная модель биологического нейрона;
- написан и скомпилирован код, реализующий работу биологического нейрона для микроконтроллера ATMega16;
- проведены испытания работы компьютерной модели нейрона с различной структурой мембраны и расположением синапсов на ней;
проведен ряд численных экспериментов, установивший адекватность предложенных математических моделей естественным прототипам.
Содержание
Обозначения и сокращения
Введение
. Основные особенности работы нейрона
. Функциональное описание предлагаемой модели
.2 Синапс
. Элементы нейрологики с позиции аппаратной реализации
. Испытание компьютерной модели
.1 Использование разработанного программно-аппаратного комплекса
Заключение
Список использованных источников
Обозначения и сокращения
Xs iВходящий импульсSs iПороговая функцияgs iОбщие значения сигналов КПороговый коэффициентНейродКомпьютерная модель биологического нейрона, реализованная на базе микроконтроллера
Введение
В настоящее время становится очевидным, что дальнейшее развитие различных аспектов проблем автоматического управления сложными системами невозможно без объединения усилий технических и биологических наук. Общими задачами для этих наук являются: управления динамическими объектами и базами данных, а так же оптимизация управления. Для осуществления управления сложными системами и объектами применяются нейронные сети.
Современный подход к созданию нейросистем эволюционирует в направлении отдаления их функционирования от реальных биологических аналогов. Для моделирования современных нейросистем используется сильно упрощенная модель базового элемента (нейрона).
Наиболее перспективным для технической реализации представляется моделирование на уровне описания информационных преобразований импульсных потоков в нейроне, не спускаясь на уровень реализующих их физико-химических процессов, но и не абстрагируясь от понятия нейрона как объекта, осуществляющего нелинейные аналоговые преобразования потока импульсов [1].
В разработке подобной модели будут использованы методы системного анализа при обобщении экспериментальных данных [2, 3] и классификации биологических нейронов [4,5]. Так как задача поиска оптимального решения в ряде случаев является невычислимой по причине эмпирического характера данных или методов работы с ними, экспоненциальной сложности решения задачи путем перебора и т.д., то необходимость воспользоваться бионическими методами построения технических систем становится более очевидной.
Цель работы: разработка компьютерной модели биологического нейрона.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
)Определить основные механизмы работы синапса биологического нейрона, в которую входят: воссоздание пороговых принципов ограничения потенциала нейрона, а также торможения и возбуждения с их временными зависимостями.
)Предложить систему уравнений, описывающих работу модели нейрона.
)Разработать компьютерную модель биологического нейрона, которая описывает основные процессы его работы.
)Написать и скомпилировать код, реализующий работу биологического нейрона в микроконтроллере ATMega16.
)Провести испытания работы компьютерной модели нейрона с различной структурой мембраны и расположением синапсов на ней.
)Провести ряд численных экспериментов для установления адекватности предложенных математических моделей естественным прототипам.
Работа поддержана грантами Всероссийского фонда УМНИК от 27 мая 2010 года, 04 июля 2011 года (№ 9557 р /14159); отмечена дипломом Всероссийского конкурса молодых ученых от 18 января 2012 года (№ 010457).
Результаты дипломной работы опубликованы в [18, 19, 20].