第0章 绪论(n)

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1、绪论20.1生物神经元与人工神经元20.1.1生物神经元20.1.2人工神经元40.2人工神经网络概述50.3神经网络简史711绪论0.1生物神经元与人工神经元0.1.1生物神经元神经元，即神经细胞，是动物大脑和神经系统的基本构成元件。它们以极其复杂的方式相互联接，组成若干区域，分别接受不同的信息，完成不同的任务。例如人的大脑由1010-1012个神经元组合而成，左脑主要完成抽象思维，右脑主要完成形象思维。大脑还可以进一步细分为52个区，每个区完成各自特定的功能。其结构如图0.1所示。新增加的内

2、容图0.1大脑的分区每个神经元的结构可以分成细胞体、树突和轴突三部分，如图0.2所示。细胞体通常呈球形或锥形，含有神经元的核以及合成细胞生命所必需的酶等等，具有处理信号的功能。树突是精致的管状延伸物，常常重复分枝，围绕细胞体形成灌木丛状，神经元由此接受输入信号。轴突从细胞体伸展出来，形成一条通路，信号通过此通路从细胞体长距离传达到脑和神经系统的其它部分。大多数轴突比树突长而细，并且显示出不同的分枝模式，轴突的分枝倾向于在其终端处长出，在那里轴突与其他神经元进行通讯；而树突的分枝则倾向于群集在细胞

3、体的附近。图0.2生物神经元构造大脑的功能是依靠信息流经由神经元组成的复杂网络来完成的。信息通过特殊的接合部即所谓突触从一个细胞传递至另一个细胞。一个神经元一般有1000～1110000个突触，能接受大约1000个神经元的信息，并通过轴突传播到可以多达几千个的其它神经元。突触通常是在一个细胞的轴突和另一个细胞的树突之间形成的，但是也存在其他突触连接原来为：联接形式：轴突与轴突间、树突与树突间、以及轴突与细胞体间的连接原来为：联接。轴突在突触处常扩大形成终点。终点上含有称为突触小泡的小球状结构，每

4、个小泡含有几千个分子的乙酰胆碱一类化学递质（transmitter）。当神经冲动到达终点时，一些突触小泡把它们的内含物质释放到狭窄的15～50nm（nm：纳米）新增加的内容突触间隙里，使得突触后（接收信息一侧）细胞膜的离子通透性发生变化，产生正的或负的电位，称为突触后电位（PostSynapticPotential，简称PSP）。在静息状态下，神经元细胞膜内与膜外保持50～90mV（mV：毫伏）（哺乳动物约为70mV）的负电位，称为静息膜电位。当PSP在正的方向上达到一定的值（即阈值，thres

5、hold）时，细胞内的电位开始迅速上升，产生一个尖峰状的脉冲电位，其峰值可以达到正的几十毫伏原来为：mV。这样，若以静息膜电位为基准，就产生了约100mV的脉冲。脉冲电位的持续期一般为0.5ms（ms：毫秒）新增加的内容～几个ms（哺乳动物接近1ms原来为：毫秒）。图0.3突触图0.4神经元产生的脉冲一个突触所产生的PSP一般非常小。例如在脊髓的运动神经元上，一个突触所产生PSP只有0.2mV，但是如果它们汇集起来就会形成大的PSP。图0.4给出了在猫的运动神经元的细胞内记录到的PSP。(a)～

6、(c)表示与这个神经元构成突触联系的三种轴突群分别刺激时产生的波形，(d)表示这三路轴突同时刺激时产生的波形。这种同时刺激所引起的PSP的代数和，称为空间总和。另外，在极短时间内相继到达的多个脉冲所引起的PSP也会叠加，称为时间总和。神经元发放过程中，其电位开始为正，然后变负，最后恢复原状。神经元的阈值也随之发生变化。在发放后有一段时间，无论给出多强的刺激都不再引起发放，这段时间约为1ms原来为：毫秒，称为绝对不应期。然后，阈值慢慢下降直到恢复原状，这段恢复期称为相对不应期。神经元间的突触联系，

7、虽然有些基本的部分是先天就有的，但是大部分应该是在不断受到外界信息刺激的过程中后天学习而得到的。突触联系有其稳定性,11即大致相同的刺激引发大致相同的反应（记忆）；突触联系又有其可塑性，反复进行的某种刺激可能加强或减弱这种联系（学习）。由于外部刺激，形成和调整神经元间的突触联系，并逐渐改变而建成神经网络的现象，被称之为神经系统的自组织(self-organization)。关于突触联系的形成，我们介绍以下几种假说。虽然任何一种假说都远未得到完全的证实，但是它们对人工神经网络的设计和分析很有益处。

8、假说A:“从神经元到的可变突触的初始状态具有强兴奋联系。但是在不发放，而发放的情况下，则使联系强度降低。”这一假说认为，对细胞发放没有起到作用的突触联系应该趋于消失。但是这个假设有一个致命的弱点，即突触联系常常只向失效的方向不可逆地改变。若一旦给予不适当的刺激，神经网络有受到不可逆伤害的危险。假说B：“从神经元到的可变突触的初始状态具有弱兴奋联系。当和同时发放时，则使联系强化。这种突触也称为Brindley突触。”这一假说的基础是：只强化对神经元的发放起作用的那些突触。在各种自组织系统模型中，广