第0章 緒論(n)

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1、緒論20.1生物神經(jīng)元與人工神經(jīng)元20.1.1生物神經(jīng)元20.1.2人工神經(jīng)元40.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡概述50.3神經(jīng)網(wǎng)絡簡史711緒論0.1生物神經(jīng)元與人工神經(jīng)元0.1.1生物神經(jīng)元神經(jīng)元，即神經(jīng)細胞，是動物大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的基本構成元件。它們以極其復雜的方式相互聯(lián)接，組成若干區(qū)域，分別接受不同的信息，完成不同的任務。例如人的大腦由1010-1012個神經(jīng)元組合而成，左腦主要完成抽象思維，右腦主要完成形象思維。大腦還可以進一步細分為52個區(qū)，每個區(qū)完成各自特定的功能。其結構如圖0.1所示。新增加的內

2、容圖0.1大腦的分區(qū)每個神經(jīng)元的結構可以分成細胞體、樹突和軸突三部分，如圖0.2所示。細胞體通常呈球形或錐形，含有神經(jīng)元的核以及合成細胞生命所必需的酶等等，具有處理信號的功能。樹突是精致的管狀延伸物，常常重復分枝，圍繞細胞體形成灌木叢狀，神經(jīng)元由此接受輸入信號。軸突從細胞體伸展出來，形成一條通路，信號通過此通路從細胞體長距離傳達到腦和神經(jīng)系統(tǒng)的其它部分。大多數(shù)軸突比樹突長而細，并且顯示出不同的分枝模式，軸突的分枝傾向于在其終端處長出，在那里軸突與其他神經(jīng)元進行通訊；而樹突的分枝則傾向于群集在細胞

3、體的附近。圖0.2生物神經(jīng)元構造大腦的功能是依靠信息流經(jīng)由神經(jīng)元組成的復雜網(wǎng)絡來完成的。信息通過特殊的接合部即所謂突觸從一個細胞傳遞至另一個細胞。一個神經(jīng)元一般有1000～1110000個突觸，能接受大約1000個神經(jīng)元的信息，并通過軸突傳播到可以多達幾千個的其它神經(jīng)元。突觸通常是在一個細胞的軸突和另一個細胞的樹突之間形成的，但是也存在其他突觸連接原來為：聯(lián)接形式：軸突與軸突間、樹突與樹突間、以及軸突與細胞體間的連接原來為：聯(lián)接。軸突在突觸處常擴大形成終點。終點上含有稱為突觸小泡的小球狀結構，每

4、個小泡含有幾千個分子的乙酰膽堿一類化學遞質（transmitter）。當神經(jīng)沖動到達終點時，一些突觸小泡把它們的內含物質釋放到狹窄的15～50nm（nm：納米）新增加的內容突觸間隙里，使得突觸后（接收信息一側）細胞膜的離子通透性發(fā)生變化，產(chǎn)生正的或負的電位，稱為突觸后電位（PostSynapticPotential，簡稱PSP）。在靜息狀態(tài)下，神經(jīng)元細胞膜內與膜外保持50～90mV（mV：毫伏）（哺乳動物約為70mV）的負電位，稱為靜息膜電位。當PSP在正的方向上達到一定的值（即閾值，thres

5、hold）時，細胞內的電位開始迅速上升，產(chǎn)生一個尖峰狀的脈沖電位，其峰值可以達到正的幾十毫伏原來為：mV。這樣，若以靜息膜電位為基準，就產(chǎn)生了約100mV的脈沖。脈沖電位的持續(xù)期一般為0.5ms（ms：毫秒）新增加的內容～幾個ms（哺乳動物接近1ms原來為：毫秒）。圖0.3突觸圖0.4神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖一個突觸所產(chǎn)生的PSP一般非常小。例如在脊髓的運動神經(jīng)元上，一個突觸所產(chǎn)生PSP只有0.2mV，但是如果它們匯集起來就會形成大的PSP。圖0.4給出了在貓的運動神經(jīng)元的細胞內記錄到的PSP。(a)～

6、(c)表示與這個神經(jīng)元構成突觸聯(lián)系的三種軸突群分別刺激時產(chǎn)生的波形，(d)表示這三路軸突同時刺激時產(chǎn)生的波形。這種同時刺激所引起的PSP的代數(shù)和，稱為空間總和。另外，在極短時間內相繼到達的多個脈沖所引起的PSP也會疊加，稱為時間總和。神經(jīng)元發(fā)放過程中，其電位開始為正，然后變負，最后恢復原狀。神經(jīng)元的閾值也隨之發(fā)生變化。在發(fā)放后有一段時間，無論給出多強的刺激都不再引起發(fā)放，這段時間約為1ms原來為：毫秒，稱為絕對不應期。然后，閾值慢慢下降直到恢復原狀，這段恢復期稱為相對不應期。神經(jīng)元間的突觸聯(lián)系，

7、雖然有些基本的部分是先天就有的，但是大部分應該是在不斷受到外界信息刺激的過程中后天學習而得到的。突觸聯(lián)系有其穩(wěn)定性,11即大致相同的刺激引發(fā)大致相同的反應（記憶）；突觸聯(lián)系又有其可塑性，反復進行的某種刺激可能加強或減弱這種聯(lián)系（學習）。由于外部刺激，形成和調整神經(jīng)元間的突觸聯(lián)系，并逐漸改變而建成神經(jīng)網(wǎng)絡的現(xiàn)象，被稱之為神經(jīng)系統(tǒng)的自組織(self-organization)。關于突觸聯(lián)系的形成，我們介紹以下幾種假說。雖然任何一種假說都遠未得到完全的證實，但是它們對人工神經(jīng)網(wǎng)絡的設計和分析很有益處。

8、假說A:“從神經(jīng)元到的可變突觸的初始狀態(tài)具有強興奮聯(lián)系。但是在不發(fā)放，而發(fā)放的情況下，則使聯(lián)系強度降低。”這一假說認為，對細胞發(fā)放沒有起到作用的突觸聯(lián)系應該趨于消失。但是這個假設有一個致命的弱點，即突觸聯(lián)系常常只向失效的方向不可逆地改變。若一旦給予不適當?shù)拇碳?，神?jīng)網(wǎng)絡有受到不可逆?zhèn)Φ奈ｋU。假說B：“從神經(jīng)元到的可變突觸的初始狀態(tài)具有弱興奮聯(lián)系。當和同時發(fā)放時，則使聯(lián)系強化。這種突觸也稱為Brindley突觸。”這一假說的基礎是：只強化對神經(jīng)元的發(fā)放起作用的那些突觸。在各種自組織系統(tǒng)模型中，廣