Mathematical Model of the Impulses Transformation Processes in Natural Neurons for Biologically Inspired Control Systems Development

Abstract. One of the trends in the development of control systems for autonomous mobile robots is the approach of using neural networks with biologically plausible architecture. Formal neurons do not take into account some important properties of a biological neuron, which are necessary for this task. Namely -a consideration of the dynamics of data changing in neural networks; difficulties in describing the structure of the network, which cannot be reduced to the known regular architectures; as well as difficulties in the implementation of biologically plausible learning algorithms for such networks. Existing neurophysiological models of neurons describe chemical processes occurring in a cell, which is too low level of abstraction. The paper proposes a neuron's model, which is devoid of disadvantages described above. The feature of this model is description cell possibility with treestructured architecture dendrites. All functional changes are formed by modifying structural organization of membrane and synapses instead of parametric tuning. The paper also contains some examples of neural structures for motion control based on this model of a neuron and similar to biological structures of the peripheral nervous system

Применение сегментной спайковой модели нейрона со структурной адаптацией для решения задач классификации

Рассматриваются варианты применения сегментной спайковой модели нейрона с возможностью структурной адаптации для решения задач классификации. Проводится анализ современного состояния спайковых нейронных сетей. Делается вывод о крайне низком количестве работ по исследованию сегментных моделей нейрона. В качестве модели нейрона для данной работы обосновывается выбор сегментной спайковой модели. Приводится краткое описание такой модели, отмечены её основные особенности, позволяющие производить её структурное реконфигурирование. Описывается способ структурной адаптации модели ко входному паттерну импульсов. Приводится общая схема организации сегментных спайковых нейронов в сеть для решения задачи классификации. В качестве кодирования числовой информации в паттерны импульсов выбирается временное кодирование. Приводятся краткие результаты экспериментов по решению задачи классификации на общедоступных наборах данных (Iris, MNIST). Делается вывод о сопоставимости полученных результатов с результатами, полученными классическими методами. Кроме того, приводится подробное пошаговое описание экспериментов по определению состояния телеуправляемого необитаемого подводного аппарата: определение расстояния такого аппарата до дна и определение характера его движения. Показано соответствие полученных результатов реальному состоянию телеуправляемого необитаемого подводного аппарата. Сделан вывод о перспективности применения спайковых сегментных моделей нейрона с возможностью структурной адаптации при решении задач классификации. Рассмотрены дальнейшие перспективные продолжения исследований основанных на сегментных спайковых моделях нейрона

Применение сегментной спайковой модели нейрона со структурной адаптацией для решения задач классификации

The problem of classification using a compartmental spiking neuron model is considered. The state of the art of spiking neural networks analysis is carried out. It is concluded that there are very few works on the study of compartmental neuron models. The choice of a compartmental spiking model is justified as a neuron model for this work. A brief description of such a model is given, and its main features are noted in terms of the possibility of its structural reconfiguration. The method of structural adaptation of the model to the input spike pattern is described. The general scheme of the compartmental spiking neurons’ organization into a network for solving the classification problem is given. The time-to-first-spike method is chosen for encoding numerical information into spike patterns, and a formula is given for calculating the delays of individual signals in the spike pattern when encoding information. Brief results of experiments on solving the classification problem on publicly available data sets (Iris, MNIST) are presented. The conclusion is made about the comparability of the obtained results with the existing classical methods. In addition, a detailed step-by-step description of experiments to determine the state of an autonomous uninhabited underwater vehicle is provided. Estimates of computational costs for solving the classification problem using a compartmental spiking neuron model are given. The conclusion is made about the prospects of using spiking compartmental models of a neuron to increase the bio-plausibility of the implementation of behavioral functions in neuromorphic control systems. Further promising directions for the development of neuromorphic systems based on the compartmental spiking neuron model are considered.Рассматриваются варианты применения сегментной спайковой модели нейрона с возможностью структурной адаптации для решения задач классификации. Проводится анализ современного состояния спайковых нейронных сетей. Делается вывод о крайне низком количестве работ по исследованию сегментных моделей нейрона. В качестве модели нейрона для данной работы обосновывается выбор сегментной спайковой модели. Приводится краткое описание такой модели, отмечены её основные особенности, позволяющие производить её структурное реконфигурирование. Описывается способ структурной адаптации модели ко входному паттерну импульсов. Приводится общая схема организации сегментных спайковых нейронов в сеть для решения задачи классификации. В качестве кодирования числовой информации в паттерны импульсов выбирается временное кодирование. Приводятся краткие результаты экспериментов по решению задачи классификации на общедоступных наборах данных (Iris, MNIST). Делается вывод о сопоставимости полученных результатов с результатами, полученными классическими методами. Кроме того, приводится подробное пошаговое описание экспериментов по определению состояния телеуправляемого необитаемого подводного аппарата: определение расстояния такого аппарата до дна и определение характера его движения. Показано соответствие полученных результатов реальному состоянию телеуправляемого необитаемого подводного аппарата. Сделан вывод о перспективности применения спайковых сегментных моделей нейрона с возможностью структурной адаптации при решении задач классификации. Рассмотрены дальнейшие перспективные продолжения исследований основанных на сегментных спайковых моделях нейрона

Реализация поведенческих функций на спайковых нейронных сетях

The question of behavioral functions modeling of animals (in particular, the modeling and implementation of the conditioned reflex) is considered. The analysis of the current state of neural networks with the possibility of structural reconfiguration is carried out. The modeling is carried out by means of neural networks, which are built on the basis of a compartmental spiking model of a neuron with the possibility of structural adaptation to the input pulse pattern. The compartmental spike model of a neuron is able to change its structure (the size of the cell body, the number and length of dendrites, the number of synapses) depending on the incoming pulse pattern at its inputs. A brief description of the compartmental spiking model of a neuron is given, and its main features are noted in terms of the possibility of its structural reconfiguration. The method of structural adaptation of the compartmental spiking model of the neuron to the input pulse pattern is described. To study the work of the proposed model of a neuron in a network, the choice of a conditioned reflex as a special case of the formation of associative connections is justified as an example. The structural scheme and algorithm of formation of a conditioned reflex with both positive and negative reinforcement are described. The article presents a step-by-step description of experiments on the associative connection’s formation in general and conditioned reflex (both with positive and negative reinforcement), in particular. The conclusion is made about the prospects of using spiking compartmental models of neurons to improve the efficiency of the implementation of behavioral functions in neuromorphic control systems. Further promising directions for the development of neuromorphic systems based on spiking compartmental models of the neuron are considered.Рассматривается вопрос моделирования поведенческих функций животных, в частности, моделирование и реализация условного рефлекса. Производится анализ современного состояния нейронных сетей с возможностью структурного реконфигурирования. Моделирование осуществляется посредством нейронных сетей, которые строятся на основе сегментной спайковой модели нейрона с возможностью структурной адаптации к входному паттерну импульсов. Сегментная спайковая модель нейрона способна изменять свою структуру (размер тела клетки, количество и длина дендритов, количество синапсов) в зависимости от поступающего на её входы паттерна импульсов. Приведено краткое описание сегментной спайковой модели нейрона, отмечены её основные особенности с точки зрения возможности её структурного реконфигурирования. Описывается способ структурной адаптации сегментной спайковой модели нейрона к входному паттерну импульсов. Для исследования работы предложенной модели нейрона в сети, в качестве примера обосновывается выбор условного рефлекса, как частного случая формирования ассоциативных связей. Приведено описание структурной схемы и алгоритма формирования условного рефлекса как с положительным, так и с отрицательным подкреплением. Представлено пошаговое описание экспериментов по формированию ассоциативных связей вообще и условного рефлекса (как с положительным, так и с отрицательным подкреплением), в частности. Сделан вывод о перспективности применения спайковых сегментных моделей нейронов для повышения эффективности реализации поведенческих функций в нейроморфных системах управления. Рассмотрены дальнейшие перспективные направления развития нейроморфных систем, основанных на спайковых сегментных моделях нейрона

Реализация поведенческих функций на спайковых нейронных сетях

Рассматривается вопрос моделирования поведенческих функций животных, в частности, моделирование и реализация условного рефлекса. Производится анализ современного состояния нейронных сетей с возможностью структурного реконфигурирования. Моделирование осуществляется посредством нейронных сетей, которые строятся на основе сегментной спайковой модели нейрона с возможностью структурной адаптации к входному паттерну импульсов. Сегментная спайковая модель нейрона способна изменять свою структуру (размер тела клетки, количество и длина дендритов, количество синапсов) в зависимости от поступающего на её входы паттерна импульсов. Приведено краткое описание сегментной спайковой модели нейрона, отмечены её основные особенности с точки зрения возможности её структурного реконфигурирования. Описывается способ структурной адаптации сегментной спайковой модели нейрона к входному паттерну импульсов. Для исследования работы предложенной модели нейрона в сети, в качестве примера обосновывается выбор условного рефлекса, как частного случая формирования ассоциативных связей. Приведено описание структурной схемы и алгоритма формирования условного рефлекса как с положительным, так и с отрицательным подкреплением. Представлено пошаговое описание экспериментов по формированию ассоциативных связей вообще и условного рефлекса (как с положительным, так и с отрицательным подкреплением), в частности. Сделан вывод о перспективности применения спайковых сегментных моделей нейронов для повышения эффективности реализации поведенческих функций в нейроморфных системах управления. Рассмотрены дальнейшие перспективные направления развития нейроморфных систем, основанных на спайковых сегментных моделях нейрона