腦認(rèn)知與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課件

1、 專題二 腦認(rèn)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(dòng)的傳遞人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)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(dòng)，使人體成為一個(gè)有機(jī)的整體維持機(jī)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，還能主觀改造世界神經(jīng)系統(tǒng)及神經(jīng)分布中樞部周圍部腦脊髓31對(duì)脊神經(jīng)12對(duì)腦神經(jīng)內(nèi)臟神經(jīng)交感神經(jīng)副交感神經(jīng) 嗅神經(jīng) 感覺性 視神經(jīng) 感覺性 動(dòng)眼神經(jīng) 運(yùn)動(dòng)性 滑車神經(jīng) 運(yùn)動(dòng)性 三叉神經(jīng) 混合性 展神經(jīng) 運(yùn)動(dòng)性 面神經(jīng) 混合性 前庭蝸神經(jīng) 感覺性 舌咽神經(jīng) 混合性 迷走神經(jīng) 混合性 副神經(jīng)

2、運(yùn)動(dòng)性 舌下神經(jīng) 運(yùn)動(dòng)性連于中腦連于延髓連于腦橋連于端腦連于間腦十二對(duì)腦神經(jīng)名稱、性質(zhì)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(qiáng)、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(dòng)減弱括約肌收縮加強(qiáng)胃腸平滑肌的活動(dòng)，括約肌舒張眼瞳孔擴(kuò)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（一）神經(jīng)元與神經(jīng)傳導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)神經(jīng)傳導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位是神經(jīng)細(xì)胞，即神經(jīng)元神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)組成細(xì)胞體、樹突與軸突神經(jīng)元通過以下途徑完成信號(hào)傳導(dǎo)神經(jīng)沖動(dòng)(ner

3、ve Impulse)突觸傳遞(synapse transmission)膝跳反射實(shí)際上是兩個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞分別聯(lián)系著感受器（肌索）、效應(yīng)器（橫紋?。┩挥|軸突的末梢分支，是神經(jīng)元傳出神經(jīng)沖動(dòng)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(xì)胞和接受神經(jīng)信號(hào)的細(xì)胞之間的連接處（二）神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生和傳導(dǎo)神 經(jīng) 沖 動(dòng)靜息電位(resting potential) 神經(jīng)纖維處于靜息狀態(tài)時(shí)，存在外正內(nèi)負(fù)的電位差。動(dòng)作電位(action potential) 神經(jīng)纖維受到足夠強(qiáng)的刺激，Na+通道完全開放，膜電位提高到最高值。神經(jīng)沖動(dòng)(nerve impulse) 動(dòng)作電

4、位沿神經(jīng)纖維向遠(yuǎn)端傳播，使整個(gè)神經(jīng)纖維依次興奮。動(dòng)作電位坐標(biāo)圖當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞受到刺激時(shí)，細(xì)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 70 mV,一下子跳到 +35mV，這就是動(dòng)作電位。動(dòng)作電位的產(chǎn)生，意味神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生。(2) 動(dòng)作電位動(dòng)作電位傳播特點(diǎn) “全或無”刺激強(qiáng)度不夠，不產(chǎn)生動(dòng)作電位；刺激達(dá)到或超過有效強(qiáng)度（閾值），動(dòng)作電位恒定為 +35 mV。 快速產(chǎn)生與傳播產(chǎn)生僅需 1 ms；從刺激點(diǎn)向兩側(cè)傳播，速度可達(dá) 100 m/S。不應(yīng)期產(chǎn)生動(dòng)作電位需 1 ms；恢復(fù)到原來靜息電位狀態(tài)35ms；受刺激后直至恢復(fù)到靜息電位狀態(tài)，總共46ms這段時(shí)間內(nèi)，神經(jīng)細(xì)胞

5、對(duì)新的刺激無反應(yīng)，稱為不應(yīng)期。神經(jīng)遞質(zhì)：突觸處釋放化學(xué)物質(zhì)，可與突觸后細(xì)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(xì)胞釋放，通過受體作用于突觸后細(xì)胞，引起突觸后細(xì)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(xué)習(xí)系統(tǒng)模擬人類實(shí)際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)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(jiǎn)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(duì)真實(shí)世界物體所作出的交互反應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)模式識(shí)別智能控制等領(lǐng)域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)框圖 基本原理輸入部接收外來的輸入樣本X，由訓(xùn)練部進(jìn)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

6、，期望的輸出信號(hào)（或真值）可以作為教師信號(hào)輸入，由該教師信號(hào)與實(shí)際輸出進(jìn)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(yùn)動(dòng)纖維感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的組成比較神經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)傳入信號(hào)刺激樣本神經(jīng)中樞感受器輸入部腦/脊髓/神經(jīng)元胞體訓(xùn)練部（多參數(shù)模型、函數(shù)）運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元輸出部信號(hào)傳出效應(yīng)器實(shí)際輸出Xl，X2，Xn，是輸入樣本信號(hào)，W1，W2，Wn是權(quán)系數(shù)。輸入樣本信號(hào)Xi可以取離散值“0”或“1”。輸入樣本信號(hào)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(hào)Y(t)和u進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生誤差信號(hào)e。即權(quán)值調(diào)整機(jī)

7、構(gòu)根據(jù)誤差e去對(duì)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的權(quán)系數(shù)進(jìn)行修改，修改方向應(yīng)使誤差e變小，不斷進(jìn)行下去，使到誤差e為零，這時(shí)實(shí)際輸出值u和期望輸出值Y(t)完全一樣，則學(xué)習(xí)過程結(jié)束神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)要消耗時(shí)間，學(xué)習(xí)過程要多次重復(fù)，甚至達(dá)萬次級(jí)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(shí)耗量。研究和實(shí)時(shí)控制中的關(guān)鍵：提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度，減少學(xué)習(xí)次數(shù)基因預(yù)測(cè)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(jì)算單元”簡(jiǎn)單處理: 計(jì)算總和復(fù)雜處理: 本身可作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié) 基因結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).基因預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型:

8、 GRAIL II如何完成程序的“學(xué)習(xí)過程” ? 已知的基因 完整的基因組1/21/2培訓(xùn)學(xué)習(xí)(sequence and annotation) 驗(yàn)證 (sequence) 未知的基因 程序 選擇合適的參數(shù)Good prediction一種計(jì)算機(jī)程序，需要用已知基因的序列對(duì)程序進(jìn)行“培訓(xùn)”，以便能分析同類的新序列機(jī)器學(xué)習(xí)：生物信息學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)：網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)器學(xué)習(xí)：搜索引擎 Google的成功，使得Internet 搜索引擎成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè) 不僅有眾多專營(yíng)搜索引擎的公司出現(xiàn)（例如專門針對(duì)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(jìn)行研發(fā) Google掘到的第一桶金，來源于其創(chuàng)始人Larry Page和Sergey Brin提出的PageRank算