腦認知與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課件

專題二

腦認知與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)及神經(jīng)分布神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)和功能神經(jīng)沖動的傳遞人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習系統(tǒng)工作原理應(yīng)用生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)通訊是在神經(jīng)系統(tǒng)，或神經(jīng)元與效應(yīng)器間傳遞信息的一種方式神經(jīng)系統(tǒng)的功能控制和調(diào)節(jié)其它系統(tǒng)的活動，使人體成為一個有機的整體維持機體與外環(huán)境間的統(tǒng)一人類神經(jīng)系統(tǒng)不僅適應(yīng)環(huán)境，還能主觀改造世界Ⅰ嗅神經(jīng)感覺性Ⅱ視神經(jīng)感覺性Ⅲ動眼神經(jīng)運動性Ⅳ滑車神經(jīng)運動性Ⅴ三叉神經(jīng)混合性Ⅵ展神經(jīng)運動性Ⅶ面神經(jīng)混合性Ⅷ前庭蝸神經(jīng)感覺性Ⅸ舌咽神經(jīng)混合性Ⅹ迷走神經(jīng)混合性Ⅺ副神經(jīng)運動性Ⅻ舌下神經(jīng)運動性連于中腦連于延髓連于腦橋連于端腦連于間腦十二對腦神經(jīng)名稱、性質(zhì)植物神經(jīng)系統(tǒng)及其對內(nèi)臟的調(diào)節(jié)又稱自主神經(jīng)系統(tǒng)或植物神經(jīng)系統(tǒng)。內(nèi)臟神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)副交感神經(jīng)副交感神經(jīng)交感神經(jīng)包括中樞部周圍部交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的功能器官交感神經(jīng)副交感神經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)心跳加快加強、皮膚及內(nèi)臟血管收縮，血壓升高心跳減慢減弱，血壓降低呼吸系統(tǒng)呼吸道平滑肌舒張呼吸道平滑肌收縮消化系統(tǒng)胃腸平滑肌的活動減弱括約肌收縮加強胃腸平滑肌的活動，括約肌舒張眼瞳孔擴大瞳孔縮小汗腺分泌增加不受副交感神經(jīng)支配代謝，內(nèi)分泌糖原分解，腎上腺髓質(zhì)分泌增加胰島素分泌增加，糖原合成增加

神經(jīng)元的基本構(gòu)造樹突與軸突樹突軸突短而分支長/末端有分支（人的可長達1m，鯨可達10m）

無髓鞘有髓鞘（外面包著充滿磷脂的髓鞘）接受和傳入刺激傳出神經(jīng)沖動神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)神經(jīng)元細胞體突起樹突軸突膝跳反射實際上是兩個神經(jīng)元細胞分別聯(lián)系著感受器（肌索）、效應(yīng)器（橫紋肌）突觸軸突的末梢分支，是神經(jīng)元傳出神經(jīng)沖動的終端;突觸組成：突觸前膜、突觸間隙、突觸后膜信息通過突觸在神經(jīng)元之間傳遞，突觸是神經(jīng)細胞和接受神經(jīng)信號的細胞之間的連接處（1）靜息電位神經(jīng)元在靜息狀態(tài)時，即未接受刺激，未發(fā)生神經(jīng)沖動時，細胞膜內(nèi)積聚負電荷，細胞膜外積聚著正電荷，膜內(nèi)外存在著－70mV電位差；細胞膜上存在的

Na+,K+—ATP泵是造成靜息電位的原因之一動作電位坐標圖當神經(jīng)細胞受到刺激時，細胞膜的透性急劇變化，大量正離子（主要是Na+）由膜外流向膜內(nèi)，使膜兩側(cè)電位從

－70mV,一下子跳到

+35mV，這就是動作電位。動作電位的產(chǎn)生，意味神經(jīng)沖動的產(chǎn)生。(2)動作電位動作電位傳播特點

“全或無”刺激強度不夠，不產(chǎn)生動作電位；刺激達到或超過有效強度（閾值），動作電位恒定為

+35mV。

快速產(chǎn)生與傳播產(chǎn)生僅需1ms；從刺激點向兩側(cè)傳播，速度可達100m/S。不應(yīng)期產(chǎn)生動作電位需

1ms；恢復(fù)到原來靜息電位狀態(tài)3－5ms；受刺激后直至恢復(fù)到靜息電位狀態(tài)，總共4－6ms

這段時間內(nèi)，神經(jīng)細胞對新的刺激無反應(yīng)，稱為不應(yīng)期?！钌窠?jīng)遞質(zhì)：突觸處釋放化學物質(zhì)，可與突觸后細胞膜受體特異結(jié)合

☆如：乙酰膽堿、

正腎上腺素、

－氨基丁酸、

5－羥色胺

☆神經(jīng)遞質(zhì)由突觸前細胞釋放，通過受體作用于突觸后細胞，引起突觸后細胞的反應(yīng)（4）神經(jīng)遞質(zhì)及其效應(yīng)二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習系統(tǒng)模擬人類實際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學方法稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)T.Koholen的定義：“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由具有適應(yīng)性的簡單單元組成的廣泛并行互連的網(wǎng)絡(luò)，它的組織能夠模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)對真實世界物體所作出的交互反應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)辨識模式識別智能控制等領(lǐng)域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習系統(tǒng)框圖基本原理輸入部接收外來的輸入樣本X，由訓練部進行網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)W調(diào)整，然后由輸出部輸出結(jié)果在此過程中，期望的輸出信號（或真值）可以作為教師信號輸入，由該教師信號與實際輸出進行比較，產(chǎn)生的誤差去控制修改權(quán)系數(shù)W腦/脊髓感覺纖維信息功能反應(yīng)運動纖維感覺運動Xl，X2，…，Xn，是輸入樣本信號，W1，W2，…，Wn是權(quán)系數(shù)。輸入樣本信號Xi可以取離散值“0”或“1”。輸入樣本信號通過權(quán)系數(shù)作用，在u產(chǎn)生輸出結(jié)果∑WiXi，即有：u=∑WiXi=W1X1+W2X2+…+WnXn再把期望輸出信號Y(t)和u進行比較，從而產(chǎn)生誤差信號e。即權(quán)值調(diào)整機構(gòu)根據(jù)誤差e去對學習系統(tǒng)的權(quán)系數(shù)進行修改，修改方向應(yīng)使誤差e變小，不斷進行下去，使到誤差e為零，這時實際輸出值u和期望輸出值Y(t)完全一樣，則學習過程結(jié)束神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習要消耗時間，學習過程要多次重復(fù)，甚至達萬次級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)W有很多分量W1，W2，Wn（多參數(shù)修改系統(tǒng)），系統(tǒng)的參數(shù)的調(diào)整就必定耗時耗量。研究和實時控制中的關(guān)鍵：提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習速度，減少學習次數(shù)基因預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

人造神經(jīng)元:網(wǎng)絡(luò)結(jié)(NN)功能激活輸出(閾值)輸入輸入輸入WeightWeightWeight“計算單元”簡單處理:計算總和復(fù)雜處理:本身可作為一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)5’啟動子轉(zhuǎn)錄起始位點非翻譯區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū)

起始密碼子終止密碼子3’轉(zhuǎn)錄終止位點外顯子

切除和拼接位點GTAG內(nèi)含子真核生物基因結(jié)構(gòu)如何完成程序的“學習過程”?已知的基因完整的基因組1/21/2培訓學習(sequenceandannotation)驗證(sequence)未知的基因程序

選擇合適的參數(shù)Goodprediction一種計算機程序，需要用已知基因的序列對程序進行“培訓”，以便能分析同類的新序列機器學習是人工智能的核心研究領(lǐng)域之一任何一個沒有學習能力的系統(tǒng)都很難被認為是一個真正的智能系統(tǒng)經(jīng)典定義：利用經(jīng)驗改善系統(tǒng)自身的性能機器學習：搜索引擎

Google的成功，使得Internet搜索引擎成為一個新興的產(chǎn)業(yè)

不僅有眾多專營搜索引擎的公司出現(xiàn)（例如專門針對中文搜索的就有慧聰、百度等），而且Microsoft等巨頭也開始投入巨資進行研發(fā)Google掘到的第一桶金，來源于其創(chuàng)始人LarryPage和SergeyBr