1 Введение 3
2. Теоретическая часть 5
2.1. Классический синапс в природе 5
2.2. Норадреналин в природе 6
2.3. Нейромодуляция 7
2.4. Влияние внешних стимулов на уровень норадреналина 8
2.5. STDP модель Ижикевича 10
2.6. STDP модель Потжанса 13
3. Практическая часть 15
3.1. Моделирование зависимостей 15
3.2. Эксперимент на MATLAB 15
3.3. Основы NEST 16
3.4. Реализация модуля 19
3.5. Тестирование и получение результатов 20
3.5.1. Эксперимент на трех нейронах 20
3.5.2. Результаты эксперимента на трех нейронах 20
3.5.3. Высокоуровневая норадреналиновая подсистема ... 22
4. Заключение 29
Список литературы 30
Эмоции — неотъемлемая часть жизни человека. Они составляют основу таких когнитивных процессов как: мотивация, настроение, отбор стратегии поведения и др. Поэтому реализация эмоций на вычислительных машинах - большой шаг на пути создания полноценного искусственного интеллекта. Кроме того реализация эмоциональных состояний несомненно найдет применение в медицине, робототехнике, психологии и др. [1] [2].
Команда лаборатории машинного понимания КФУ занимается исследованием воспроизведения эмоций на вычислительных машинах. Исследование опирается на модель «Куба эмоций» Лёвхейма, согласно которой базовые эмоции определяются уровнем моноаминов-нейромодуляторов: дофамина, норадреналина, серотонина [3][4].
В рамках проекта лаборатории NeuCogAr моделируются дофаминовые, серотониновые, норадреналиновые проекции мозга [5] [6]. Очевидно, чтобы моделировать проекции на сотни тысячи нейронов нужно реализовать корректную передачу сигнала на уровне двух нейронов. Ранее были реализованы такая дофаминова и серотонинвая низкоуровневые модели. Однако для корректной симуляции работы нейромодулаторной системы необходимо реализовать аналогичный программный модуль для норадреналиновой системы. Цель данной работы — создание такого модуля.
Для достижения указанной цели в дипломной работе решаются следующие исследовательские задачи:
1. Рассматриваются основные принципы и понятия нейромодуляции;
2. Рассматриваются существующие вычислительные модели нейромодуляции;
3. Рассматриваются исследования действия внешних стимулов на функционирование норадреналиновой системы;
4. Выводится математическая формула численной зависимости концентрации норадреналина в синапсе от действия внешних стимулов;
5. Реализуется простая нейронная сеть на языке matlab.
6. Реализуется программный модуль норадреналинового синапса на языке C++
7. Реализуется простая нейронная сеть на трех нейронах с использованием написанного модуля
8. Модифицируется высокоуровневая высокоуровневая норадреналиновая подсистема путем интегрирования написанного модуля
Дипломная работа включает в себя введение, 2 раздела и 11 подразделов, в которых решаются поставленные исследовательские задачи, заключение, список источников и литературы
В результате работы был исследован процесс нейромодуляции с участием норадреналина, а также написан компьютерный модуль, реализующий норадреналиновый синапс. Тестирование подтвердило корректность работы данного модуля. Написанный модуль вкупе с реализованной ранее высоко-уровневой норадреналиновой системой позволил точнее воспроизвести норадреналиновые проекции в мозге млекапетающего. Однако, для еще более точной симуляции требуется дополнительная настройка весов соединений.
В ходе исследования я участвовал в написании трёх статей по тематике работы:
1. «The Implementation of Noradrenaline in the NeuCogAr Cognitive Architecture» в соавторстве с М. Талановым, М. Загуловой, J. Vallverdu.
2. «NeuCogAr: how to make a machine feel emotions. Neuromodulating cognitive architecture for mammalian emotions simulation» в соавторстве с Хьюго Левхеймом, М. Талановым, J. Vallverdu, М. Загуловой, Ф. Гафаровым, С. Дистефано, А. Хасьяновым, А. Тощевым, Е. Магидом, Р. Гайсиным.
3. «Extending biomimetic cognitive architecture NeuCogAr with noradrenaline model» в соавторстве с М. Талановым, М. Загуловой, J. Vallverdu, С. Дистефано, Ф. Гафаровым и А. Леухиным для журнала «Journal of Healthcare Engineering».
Симуляция норадреналиновой подсистемы позволит проводить новые исследования в области робототехники, медицины, психологии. Также реализация системы приблизит нас к возможности реализовать эмоциональные процессы в вычислительных системах.
