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

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

Inversionless light amplification and optical switching controlled by state-dependent alignment of molecules

We propose a method to achieve amplification without population inversion by anisotropic molecules whose orientation by an external electric field is state-dependent. It is based on decoupling of the lower-state molecules from the resonant light while the excited ones remain emitting. The suitable class of molecules is discussed, the equation for the gain factor is derived, and the magnitude of the inversionless amplification is estimated for the typical experimental conditions. Such switching of the sample from absorbing to amplifying via transparent state is shown to be possible both with the aid of dc and ac control electric fields.Comment: AMS-LaTeX v1.2, 4 pages with 4 figure

Wavelet-Based Linear-Response Time-Dependent Density-Functional Theory

Linear-response time-dependent (TD) density-functional theory (DFT) has been implemented in the pseudopotential wavelet-based electronic structure program BigDFT and results are compared against those obtained with the all-electron Gaussian-type orbital program deMon2k for the calculation of electronic absorption spectra of N2 using the TD local density approximation (LDA). The two programs give comparable excitation energies and absorption spectra once suitably extensive basis sets are used. Convergence of LDA density orbitals and orbital energies to the basis-set limit is significantly faster for BigDFT than for deMon2k. However the number of virtual orbitals used in TD-DFT calculations is a parameter in BigDFT, while all virtual orbitals are included in TD-DFT calculations in deMon2k. As a reality check, we report the x-ray crystal structure and the measured and calculated absorption spectrum (excitation energies and oscillator strengths) of the small organic molecule N-cyclohexyl-2-(4-methoxyphenyl)imidazo[1,2-a]pyridin-3-amine

Polarität binärer Flüssigkeitsgemische

Im Gegensatz zu den schon gut untersuchten Polaritätseigenschaften von reinen Flüssigkeiten ist über die Polarität von Flüssigkeitsgemischen nur wenig bekannt, obwohl die Mehrzahl der mechanistischen sowie präparativen Studien chemischer Reaktionen nicht in reinen Phasen ausgeführt wird. Mit einer breit anwendbaren Zwei-Parameter-Gleichung läßt sich das polare Verhalten binärer Flüssigkeitsgemische als Funktion ihrer Zusammensetzung quantitativ beschreiben. Anhand dieser Gleichung kann man jetzt die bei Solvens-Mischungen beobachteten Abweichungen von der linearen Korrelation der Polaritätsskalen ebenso erklären wie die von Winstein bei der Solvolyse von tert-Butylchlorid gefundenen ungewöhnlichen Aktivierungsdaten. Anwendungen der Gleichung reichen von einem Schnelltest zur Bestimmung von Wasser in organischen Lösungsmitteln über die Untersuchung von Reaktionsmechanismen bis zur Polymerchemie