腦認知與人工神經網絡

腦認知與人工神經網絡第一頁，共三十頁，2022年，8月28日內容神經系統(tǒng)神經系統(tǒng)及神經分布神經元的基本結構和功能神經沖動的傳遞人工神經網絡學習系統(tǒng)工作原理應用第二頁，共三十頁，2022年，8月28日生物神經網絡神經通訊是在神經系統(tǒng)，或神經元與效應器間傳遞信息的一種方式神經系統(tǒng)的功能控制和調節(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)一人類神經系統(tǒng)不僅適應環(huán)境，還能主觀改造世界第三頁，共三十頁，2022年，8月28日神經系統(tǒng)及神經分布中樞部周圍部腦脊髓31對脊神經12對腦神經內臟神經交感神經副交感神經第四頁，共三十頁，2022年，8月28日

Ⅰ嗅神經感覺性

Ⅱ視神經感覺性

Ⅲ動眼神經運動性

Ⅳ滑車神經運動性

Ⅴ三叉神經混合性

Ⅵ展神經運動性

Ⅶ面神經混合性

Ⅷ前庭蝸神經感覺性

Ⅸ舌咽神經混合性

Ⅹ迷走神經混合性

Ⅺ副神經運動性

Ⅻ舌下神經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名稱、性質第五頁，共三十頁，2022年，8月28日植物神經系統(tǒng)及其對內臟的調節(jié)又稱自主神經系統(tǒng)或植物神經系統(tǒng)。內臟神經系統(tǒng)交感神經副交感神經副交感神經交感神經包括中樞部周圍部第六頁，共三十頁，2022年，8月28日交感神經和副交感神經系統(tǒng)的功能器官交感神經副交感神經循環(huán)系統(tǒng)心跳加快加強、皮膚及內臟血管收縮，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支配代謝，內分泌糖原分解，腎上腺髓質分泌增加胰島素分泌增加，糖原合成增加第七頁，共三十頁，2022年，8月28日（一）神經元與神經傳導神經系統(tǒng)中擔負神經傳導的基本結構和功能單位是神經細胞，即神經元神經元的結構組成細胞體、樹突與軸突神經元通過以下途徑完成信號傳導神經沖動(nerveImpulse)突觸傳遞(synapse

transmission)第八頁，共三十頁，2022年，8月28日

神經元的基本構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沖動神經元的結構神經元細胞體突起樹突軸突第九頁，共三十頁，2022年，8月28日膝跳反射實際上是兩個神經元細胞分別聯(lián)系著感受器（肌索）、效應器（橫紋?。┑谑?，共三十頁，2022年，8月28日突觸軸突的末梢分支，是神經元傳出神經沖動的終端;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元之間傳遞，突觸是神經細胞和接受神經信號的細胞之間的連接處第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日（二）神經沖動的產生和傳導神經沖動靜息電位(restingpotential)神經纖維處于靜息狀態(tài)時，存在外正內負的電位差。動作電位(actionpotential)神經纖維受到足夠強的刺激，Na+通道完全開放，膜電位提高到最高值。神經沖動(nerveimpulse)動作電位沿神經纖維向遠端傳播，使整個神經纖維依次興奮。第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日（1）靜息電位神經元在靜息狀態(tài)時，即未接受刺激，未發(fā)生神經沖動時，細胞膜內積聚負電荷，細胞膜外積聚著正電荷，膜內外存在著－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第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日動作電位坐標圖當神經細胞受到刺激時，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，使膜兩側電位從

－70mV,一下子跳到

+35mV，這就是動作電位。動作電位的產生，意味神經沖動的產生。(2)動作電位第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日動作電位傳播特點

“全或無”刺激強度不夠，不產生動作電位；刺激達到或超過有效強度（閾值），動作電位恒定為+35mV。

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

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

這段時間內，神經細胞對新的刺激無反應，稱為不應期。第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日神經沖動沿著軸突,基本上都是按照引起鄰段發(fā)生動作電位方式向遠端傳播，到了突觸的地方，如何跨越兩層細胞膜之間的空隙，傳向后一個細胞?（3）神經沖動在突觸的傳導跨越細胞間隙傳導神經沖動的兩種方式

電突觸化學突觸

膜間間隙

2nm20nm

傳導電位神經遞質

逆向可以不可以

常見于

低等動物高等動物

（蚯蚓、蝦、海參等）(脊椎動物，人體)

第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日☆神經遞質：突觸處釋放化學物質，可與突觸后細胞膜受體特異結合

☆如：乙酰膽堿、

正腎上腺素、

－氨基丁酸、

5－羥色胺

☆神經遞質由突觸前細胞釋放，通過受體作用于突觸后細胞，引起突觸后細胞的反應（4）神經遞質及其效應第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日二、神經網絡學習系統(tǒng)模擬人類實際神經網絡的數學方法稱為神經網絡T.Koholen的定義：“人工神經網絡是由具有適應性的簡單單元組成的廣泛并行互連的網絡，它的組織能夠模擬生物神經系統(tǒng)對真實世界物體所作出的交互反應應用系統(tǒng)辨識模式識別智能控制等領域第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日神經網絡學習系統(tǒng)框圖基本原理輸入部接收外來的輸入樣本X，由訓練部進行網絡的權系數W調整，然后由輸出部輸出結果在此過程中，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，產生的誤差去控制修改權系數W腦/脊髓感覺纖維信息功能反應運動纖維感覺運動第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日神經與網絡學習系統(tǒng)的組成比較神經神經網絡學習系統(tǒng)傳入信號刺激樣本神經中樞感受器輸入部腦/脊髓/神經元胞體訓練部（多參數模型、函數）運動神經元輸出部信號傳出效應器實際輸出第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日Xl，X2，…，Xn，是輸入樣本信號，W1，W2，…，Wn是權系數。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系數作用，在u產生輸出結果∑WiXi，即有：u=∑WiXi=W1X1+W2X2+…+WnXn再把期望輸出信號Y(t)和u進行比較，從而產生誤差信號e。即權值調整機構根據誤差e去對學習系統(tǒng)的權系數進行修改，修改方向應使誤差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，則學習過程結束神經網絡的學習要消耗時間，學習過程要多次重復，甚至達萬次級神經網絡的權系數W有很多分量W1，W2，Wn（多參數修改系統(tǒng)），系統(tǒng)的參數的調整就必定耗時耗量。研究和實時控制中的關鍵：提高神經網絡的學習速度，減少學習次數第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日基因預測的神經網絡模型

人造神經元:網絡結(NN)功能激活輸出(閾值)輸入輸入輸入WeightWeightWeight“計算單元”簡單處理:計算總和復雜處理:本身可作為一個網絡結第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日5’啟動子轉錄起始位點非翻譯區(qū)轉錄區(qū)

起始密碼子終止密碼子3’轉錄終止位點外顯子

切除和拼接位點GTAG內含子真核生物基因結構第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日

基因結構的神經網絡.基因預測的神經網絡模型:GRAILII第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日如何完成程序的“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第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日機器學習是人工智能的核心研究領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)經典定義：利用經驗改善系統(tǒng)自身的性能第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日機器學習：生物信息學第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日機器學習：網絡安全第二十八頁，共三十頁，2022年，8月28日機器學習：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