神经网络与高级思维 （一）

神经网络与高级思维 （一） ［ 作者：王慧东    转贴自：本站原创    点击数：11722    更新时间：2005-4-12    文章录入：冰笛 ］

神经网络与高级思维

作者：王慧东

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[摘要]  本文从生物神经元的角度简单阐述了人脑高级思维的形成机制。通过对反射、认知、创造等概念的重新定义，全面的解析人脑的工作原理，以及在这一运行机制下对于外界所反应出来的相关现象。

[关键词]  反射 认知 创造 神经网络 人工智能

 

neural network and advanced thinking

huidong wang

[Abstract]  In this paper we briefly describe the formation mechanism of the human brain's advanced thinking from the angle of the biological neuron. By way of redefining some concepts such as reflection, cognition,creation and so on, we explain the human brain's working principle comprehensively and analyze some concerning response to the external world under the control of the above operating mechanism.

 

[key word]  reflection, cognition, creation, neural network, artificial intelligence.

 

一、             生物神经网络系统

生物神经系统是以神经元为基本单位，神经元的外部形态各异，但基本功能相同，在处于静息状态时（无刺激传导），神经细胞膜处于极化状态，膜内的电压低于膜外电压，当膜的某处受到的刺激足够强时，刺激处会在极短的时间内出现去极化、反极化（膜内的电压高于膜外电压）、复极化的过程，当刺激部位处于反极化状态时，邻近未受刺激的部位仍处于极化状态，两着之间就会形成局部电流，这个局部电流又会刺激没有去极化的细胞膜使之去极化等等，这样不断的重复这一过程，将动作电位传播开去，一直到神经末梢。

神经元与神经元之间的信息传递是通过突触相联系的，前一个神经元的轴突末梢作用于下一个神经元的胞体、树突或轴突等处组成突触。不同神经元的轴突末梢可以释放不同的化学递质，这些递质在与后膜受体结合时，有的能引起后膜去极化，当去极化足够大时就形成了动作电位；也有的能引起后膜极化增强，即超极化，阻碍动作电位的形成，能释放这种递质的神经元被称为抑制神经元。此外，有的神经元之间可以直接通过突触间隙直接进行电位传递，称为电突触。还有的因树突膜上电压门控式钠通道很少，树突上的兴奋或抑制活动是以电紧张性形式扩布的，这种扩布是具有衰减性的。

图 1

    一个神经元可以通过轴突作用于成千上万的神经元，也可以通过树突从成千上万的神经元接受信息，当多个突触作用在神经元上面时，有的能引起去极化，有的能引起超极化，神经元的冲动，即能否产生动作电位，取决于全部突触的去极化与超级化作用之后，膜的电位的总和以及自身的阈值。

神经纤维的电传导速度因神经元的种类、形态、髓鞘有无等因素的不同而存在很大差异，大致从0.3m/s到100m/s不等。在神经元与神经元之间的信息交换速度也因突触种类或神经递质的不同而存在着不同的突触延搁，突触传递信息的功能有快有慢，快突触传递以毫秒为单位计算，主要控制一些即时的反应；慢突触传递可长达以秒为单位来进行，甚至以小时，日为单位计算，它主要和人的学习，记忆以及精神病的产生有关系。2000年诺贝尔生理学或医学奖授予了瑞典哥德堡大学77岁的阿维·卡尔松、美国洛克菲勒大学74岁的保罗·格林加德以及出生于奥地利的美国哥伦比亚大学70岁的埃里克·坎德尔，以表彰他们发现了慢突触传递这样一种“神经细胞间的信号转导形式”。本次获奖者的主要贡献在于揭示“慢突触传递”，在此之前，“快突触传递”已经得过诺贝尔奖。此外，使用频繁的突触联系会变得更紧密，即突触的特点之一是用进废退，高频刺激突触前神经元后，在突触后神经元上纪录到的电位会增大，而且会维持相当长的时间。所以可以得出一条由若干不定种类的神经元排列构成的信息传导链对信息的传导速度会存在很大的弹性空间，这一点对神经系统认知事件有着非常重要的意义。

神经系统按功能可大致分为传入神经（感觉神经）、中间神经（脑：延脑、脑桥、小脑、中脑、间脑、大脑脊髓）与传出神经（运动神经）三类。

生物要适应外界环境的变化，就必须能够感受到这种变化，才能做出反应。生物的感受器多种多样，有的是单单感觉神经元的神经末梢；有的是感受器细胞；还有的感受器除了感受细胞外还增加了附属装置，且附属装置还很复杂，形成特殊的感觉器官。无论感受器的复杂程度如何，它在整个神经系统中都起着信息采集的作用，它将外界物理的或化学的动态信号反应在感觉神经细胞膜的电位变化上，膜上的电位变化可形成动作电位向远端传导。

中间神经在系统中起着计算及信息传导的作用，通常感觉神经传来的动作电位经过若干个中间神经元的计算响应后在传递到传出神经形成反射弧，但也有的反射弧仅由传入神经元与传出神经元直接组成，如敲击股四头肌引起的膝反射。传出神经可分为躯体神经与内脏神经两类，它们都最终连接着效应器，只是内脏神经需要通过一个神经节来连接效应器，最后由效应器调空肌体器官做出相应的反应。

 

二、             生物神经网络的建立

1994年，一种被称为 Netrin-1、将轴突吸引到分泌它的神经细胞的可扩散蛋白被发现, 此后人们发现，同一轴突引导分子既可吸引、也可排斥前来的轴突。其中，环状AMP（也称cAMP）、环状GMP（也称cGMP）和钙离子，都可能是从参与将发育中的神经元引导到其目标上的受体中转导信号的第二种信使。新的实验表明，正是cAMP/cGMP的比例决定着Netrin-1是起一种吸引信号的作用还是起一种排斥信号的作用，这些环状核苷通过控制轴突生长锥中的L-型钙通道来起作用。

目前已经发现大量对神经轴突生长具有导向作用的分子，这些分子可以分为两大类：一类分子固着在细胞膜表面或细胞外基质中，影响局部的神经纤维生长，这类因子包括ephrin, MAG (myelin-associated glycoprotein), Nogo等；另一类是分泌性分子，能扩散一定的距离并形成浓度梯度起作用，如netrin, slit, semaphorin 家族的大多数成员, 及各种神经营养因子等。神经轴突的前端有生长锥（growth cone）的结构起到对环境信号的探测作用。神经生长锥表面存在各种导向因子的受体，它们特异地识别环境中各种因子，并向细胞内传递吸引（attractive）或是排斥(repulsive) 的信号，从而通过调节生长锥内的细胞骨架的重组来引导神经纤维沿特定路线生长（我国科学家袁小兵等研究人员发现，在脊髓神经元上，神经细胞内RHOA酶和CDC酶直接传递外界方向信号，引导神经生长方向，同时这两种酶相互作用，对生长方向进行细致的调节）。未成熟神经细胞柔弱的轴突在这些信号的引导下，试探地穿行于正处于发育阶段、仍是一片纷乱的大脑之中，最终抵达适当的目的地。一旦轴突的末端找到了其正确的栖息地，它就开始与周围神经元建立尽可能广泛的突触联系，以便传导信息。

脊椎动物出生后早期发育中的一个特征是，神经键（或神经连接）的消除。最初，一个神经肌肉连接被多个轴突支配，然后所有轴突都退出，只剩下一个，对相互竞争的神经元来说，决定胜负的是它们的相对活性。为了能准确的连接到目的地，单个或多个神经元会沿导向分子所确定的大致方向上生长出若干条神经纤维，其中总会有能正确连接到目的地的神经纤维，所建立的若干神经链路在刺激信号的作用下，正确的信息传递会使链接会变的更加稳固，反之则慢慢萎缩分离。打个比方讲：两个城市间原本没有路，如果要修的话会先派人去探索出若干条路，最后去修筑被优选出来的路，而其他的则会被遗弃。