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时间:2019-11-28
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1、这是一篇科普文——神经网络中的突触可塑性本文会首先会对神经元网络做简单的介绍,然后介绍下突触及其可塑性,最后讲一下因为突触的可塑性,带来的大脑的可塑性。神经元网络神经元这个名词是个耳熟能详的名词,中学生物课本就有讲到,一个神经元主要有三个部分:胞体、树突以及轴突。神经元的胞体跟普通细胞很像,遗传物质、细胞器都跟普通体细胞没太大区别,主要的区别就在于神经元拥有突触。突触的作用是连接不同的神经元以及传递它们之间的信号的,突触分为树突和轴突,关于突触具体的介绍将在下面展开,现在先来介绍下神经元网络。什么是网络呢?讲个简单的例子,二维晶格网络就是个规则网络,比如,在纸上画个5×5的点阵,这些点就
2、称为网络的节点,然后用横线和竖线将这些点连起来,点与点之间的连线就是网络的边,这就是一个简单的网络。羽毛球拍的线也可以理解为一个晶格网络,把横线跟竖线的交点当作是一个节点。再引入一个概念,每个节点的连边数(也就是跟几个其他节点相连)叫做节点的度,那就可以知道,对于(非周期)二维晶格网络,中间节点的度为4,在边上的节点度为3,而四个角上的节点度为2。但是,神经元网络并不是一个规则的网络,更不是一个晶格网络,而是一个复杂网络。复杂网络是指具有一定特征的网络,比如,小世界性、无标度以及一些比较复杂的特征,一个复杂网络具有其中几个或全部的特征。小世界性是指,可以通过很短的距离从任何一个节点到另一
3、个节点,这边距离指的是需要通过连边数,比如,甲直接跟乙相连,那么距离为1,而甲不跟丙相连,但是丙跟乙相连,那么甲通过乙与丙相连距离就是2。有一个很有名的理论讲的就是这个特性——通过6个人,你可以认识世界上任何一个人。无标度指的是,大部分的节点连接的节点数很少,也就是度很小,只有少部分的节点拥有大量的连边。上面提到的理论中,如果把人当成网络中节点,相互之间认识(这个关系)当成两个点的连边,那么人际关系也是一个复杂网络。我们一直在使用的互联网也是一个复杂网络,把一个网页当中是一个节点,该网页当中有跳转到其他网页的链接当作连边,那么个别有名的网页,如百度首页,会有大量的网页指向它,但是绝大部分
4、的网页是没有其他网页有指向它的链接的。这体现了网络的无标度特性。人体的神经元网络就是一个复杂网络,而且还是一个庞大的复杂网络。人体的神经元数量达到了千亿的量级,平均连接度数万,意味着平均而言,每个神经元与其他好几万的神经元相连!不过,通常在做数值模拟的时候,不会用到那么大量的神经元,目前计算机的计算能力还不足以支持这个量级的计算。神经元网络是个可以进化的网络,这属于复杂网络的一个特征,即神经元之间的连边(突触)是会改变的。在人脑中,神经元是以神经核的形式存在的,这些神经核就是大量的神经元胞体和树突聚集在一起形成的,在解剖上,因为颜色较暗,因此这部分被称为灰质。与灰质相对应的是白质,白质颜
5、色较浅,功能相似的神经核集合形成核团,白质就是由连接这些核团的神经元轴突聚集而成。而这部分连接不同核团之间的突触是不变的,但是不同核团之间,神经元之间的突触连接是会变化的。简单来说,就是神经元是分成一群一群的,每个群体之间的连接是非常密集的,集群特性也是复杂网络的一个特征。这就像一个个城市,城市之间的人际关系一直在发生改变,交际也比较复杂,但是不同城市之间,只通过固定的人(比如说在其他城市的亲戚)来进行联系,交换信息,而这些当作桥梁的人是固定的,他们跟谁有联系也是固定的。不同的是,神经元没事不会在不同“城市”之间乱跑。在大脑中,因为不同核团之间的连接数量也是很大的,所以形成了体积占比很大
6、的白质。突触及其可塑性上面有提到,神经元之间会进行信息交换,那么,它们是通过什么进行信息交换的?又是以什么样的形式?第一个问题很显然,就是通过突触来传递信息。神经元的类型有很多,不同的神经元的突触数量也是不一样的,最常见的神经元,也就是中学课本举例的那种神经元,胞体上连接着一个轴突和多个树突,树突用来接收来自其他神经元的信号,胞体负责处理信息,然后通过轴突传递给下一个神经元。这些突触就是神经元网络中的边,它们有着不同的强度,这里就要提到网络中的另一个概念,边的权值。权值指的就是连边的大小或长度,在这里的含义是,下游神经元对当前神经元发出的信号接收的程度,权值是1的话,那就是全部接收,0代
7、表完全不接收。所以,两个节点(神经元)不连接的话,可以理解为它们连接的边权为0。下面介绍神经元是通过什么样的方式进行信息传递的。我们关心神经元的属性是它的膜电位,具体膜电位是什么可以不用理解,只要知道的是它是神经元的一个指标就行了。就像一个有漏洞的水桶一样,桶里的水会自己慢慢地流掉,直到流空,当往水里倒水的时候,水位就会上涨,当倒的水超过桶的容量,水就会从桶里面流出来。神经元的膜电位就相当于桶里面的水位,在没有外部刺激(倒水)的时候
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