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第一章

第一章. 類神經網路之簡介. 1.1 簡介. 電腦的有效性仍然令我們失望，譬如說在影像辨識、語音辯認、以及決策處理等方面的問題上。 在於數位電腦基本架構的限制，因其本質上就只能根據使用者撰寫的電腦程式來執行運算。 期望能夠設計出一部能像人類大腦一樣，能夠學習及具有智慧的機器，如此一來，許多複雜難解、或有生命危險等高難度的工作，便可以交由此等智慧型的機器來完成。. 1.2 生物神經網路 (1). 如何藉助生物神經系統處理資訊的模式及架構，來設計出有智慧的機器是一大挑戰。. 圖 1.1 ： 人類神經系統示意圖。. 1.2 生物神經網路 (2).

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  1. 第一章 類神經網路之簡介

  2. 1.1 簡介 • 電腦的有效性仍然令我們失望，譬如說在影像辨識、語音辯認、以及決策處理等方面的問題上。 • 在於數位電腦基本架構的限制，因其本質上就只能根據使用者撰寫的電腦程式來執行運算。 • 期望能夠設計出一部能像人類大腦一樣，能夠學習及具有智慧的機器，如此一來，許多複雜難解、或有生命危險等高難度的工作，便可以交由此等智慧型的機器來完成。

  3. 1.2 生物神經網路(1) • 如何藉助生物神經系統處理資訊的模式及架構，來設計出有智慧的機器是一大挑戰。 圖1.1 ：人類神經系統示意圖。

  4. 1.2 生物神經網路(2) • 人類對大腦的正確認知，是藉由逐漸地修正錯誤知識而形成的。 • 18世紀初，弗盧杭從移除各種動物的大腦的不同區域的實驗中，觀察有哪些功能仍能遺留下來？最後他認定腦部各區不可能具有不同的功能。 • 但有些人卻認為腦部可區分成明確的區域，此派學說以高爾醫生最為著名。發展成『腦相術』。

  5. 腦部相關資訊 (1) • 18世紀初，弗盧杭從移除腦的不同區域實驗中，得知腦部是整體而不具有特定區域功能。 • 尺寸的不同：腦部越大，越聰明？ 大象是人的五倍。 • 腦部與體重之比例：比例越大，越聰明？ • 大象是 0.2%，人是 2.33%，地鼠是 3.33% 。 • 大腦皮質皺摺複雜度及面積：越大，越聰明？ • 地鼠是郵票大小、黑猩猩是A4大小、人是4 x A4大小(厚)、 海豚比人還大(薄)。

  6. 腦部相關資訊 (2) • 經過數百年演化，大腦逐漸由下層組織發展出高階之上層組織，如圖1.1所示。 • 人類胚胎的大腦大抵遵循此發展。

  7. 腦部相關資訊 (3) 人類的大腦具有 (1) 腦幹(brainstem)：又稱爬蟲類大腦。負責呼吸等基本生命功，並控制生存所必須之反應及運動。純粹機械性、無意識的過程； (2) 邊緣系統(limbic system)：又稱哺乳類大腦。情緒中樞，進化過程中又逐漸多了學習及記憶功能； (3) 大腦新皮層(neocortex)：大腦的最外層的皺摺組織，思考重鎮，有了它才使得人與其他生物之差別[2]。

  8. 腦部相關資訊 (4) (a)人類大腦組織示意圖(本圖摘自[9])

  9. 腦部相關資訊 (5) • 腦電波(EEG，Electroencephalography)、 • 核磁共振(MRI，Magnetic Resonance Imaging)、 • 功能性核磁共振(fMRI)、 • 正子斷層掃描(PET，Position Emission Topography)、 • 近紅外光光譜儀(NIRS，Near-infra-red Spectroscopy)、以及 • 腦磁波(MEG，Magneto encephalography) 等。 • 近數十年來，認知科學的興起，讓人類對大腦的全盤認識，越來越有指日可待的期盼。

  10. 摘自：大腦的秘密檔案 洪蘭 譯

  11. 摘自：大腦的秘密檔案 洪蘭 譯

  12. 生物類別 (1) • 達爾文生物

  13. 生物類別 (2) • 史金納生物

  14. 生物類別 (3) • 巴柏生物

  15. 生物類別 (4) • 格雷利高生物

  16. 能力來源 • 遺傳及後天環境刺激

  17. 摘自：大腦的秘密檔案 洪蘭 譯

  18. 摘自：大腦的秘密檔案 洪蘭 譯

  19. 如何看待刺激？

  20. Illusion (1)

  21. Illusion (2)

  22. 1.2 生物神經網路 (3) • 基本上，有兩種不同的途逕來嘗試研究大腦的功能。第一種屬於由下而上的方式，通常生物神經學家(neurobiologists) 採用此種方式，藉由對單一神經細胞的刺激與反應(stimulus-response) 特徵的瞭解，進而對由神經細胞聯結而成的網路能有所認識；而心理學家(psychologists) 採取的是由上而下的途逕，他們從知覺(cognition) 與行為反應來瞭解大腦。 • 目前我們對大腦運作模式的瞭解仍然十分有限。 • 人類的神經系統可視為三個子系統所互相協調而成的複合系統，如圖1.1所示。

  23. 圖1.1 ：人類神經系統示意圖。

  24. 1.3 生物神經細胞 (1) • 1872年發生了神經科學史上的重大突破，義大利的年輕醫學院畢業生高基用肉眼看到腦部的最基本的構成單元─神經細胞的重大發現[1]。 • 人類的大腦是由大約1011個神經細胞(nerve cells) 所構成，每個神經細胞又經由約104個突觸(synapses) 與其它神經細胞互相聯結成一個複雜，但具有平行處理能力的資訊處理系統。 • 一個典型的神經元可分為(1)細胞本體(soma)、(2)軸突(axon)、以及(3)樹突(dendrites)等三部份。 圖1.2：生物神經細胞示意圖。

  25. 1.3 生物神經細胞 (2) • 樹突的主要功能就是接受其它神經元所傳遞而來的信號。 • 若導致位於軸突丘的細胞膜電位超過某一特定閥值(threshold)時，則所謂的「活化電位」(action potential) 的脈衝就會被激發出來。 • 藉由管狀似的軸突傳遞至其它相連接的神經元。 • 軸突的終點處是「突觸」，這種細胞間的信號傳遞以化學性的方式居多。 圖1.3：神經信號之傳遞。

  26. 1.3.1 生物電位與活化電位(1) • 細胞內外充滿了含有陰離子(如：氯離子，Cl- )及陽離子(如：鈉離子、鉀離子、鈣離子，Na+, K+, 及Ca+2等)的電解液。 • 細胞的外圍是一層半滲透性的組織，此組織稱為細胞膜。 • 這些離子在(1)滲透壓和(2)電場效應的影響下，最後會達到一種平衡狀態，使得鉀離子大部份位在細胞體內，而鈉離子大部份位在細胞體外，這時細胞便呈現約-85mv 的「休止電位」(resting potential)。 圖1.4：理想化之細胞模型。

  27. 1.3.1生物電位與活化電位(2) • 我們可以用 Goldman (或 GHK) 式子來計算細胞膜電位 [1]： 其中 PNa、PK 和 PCl代表鈉、鉀、和氯離子穿透細胞膜的係數，下標 i 和 o 分別代表細胞內與外，K、Na、和 Cl 代表離子濃度。

  28. 1.3.1生物電位與活化電位(3) • 大多數的哺乳類動物的神經細胞，其休止電位差大約都接近-70mv。 • 當神經細胞被刺激時，在樹突部位的細胞膜的特性會被改變，使得鈉離子可以進入細胞內，導致細胞膜電位的改變，這種電位稱為「後突觸細胞膜電位(post-synaptic potential)」，其振幅與刺激強度成正比，並且會隨著傳遞距離的增加而衰減。 • 後突觸細胞膜電位的產生，會依據神經傳導物質的種類不同而有不同的效果，也就是說，可以分為兩種刺激: (1) 激發型─細胞膜的電位往增加的方向改變，以及(2) 抑制型─細胞膜的電位往更負的方向改變。

  29. 1.3.1生物電位與活化電位(4) • 所有位於樹突上，因刺激而引起的電位變化，都會朝向位於細胞本體上之軸突丘方向傳遞。 • 此時，如圖1.6所示的「時間性相加(temporal summation)」─將所有在不同時間到達的刺激相加起來和「空間性相加(spatial summation)」─將刺激型和抑制型的刺激相加起來。 • 若這些信號的綜合效果，導致軸突丘的細胞膜電位的增加，而且超過某一特定的閥值(如-55mv)時，則「活化電位」會被激發。

  30. 1.3.1生物電位與活化電位(5) 圖1.6：發生於神經元突觸之[時間性相加]示意圖

  31. 1.3.1生物電位與活化電位(6) • 在軸突丘的細胞膜上的鈉離子通道會被開啟，導致大量的鈉離子進入細胞膜內，進而激發「活化電位」的產生，如圖1.7(a) 所示。 • 由於鈉離子的大量進入，使得細胞膜電位呈現正值，這種現象被稱作去極化(depolarization)； • 一但電位呈現約20mv的正值時，鉀離子會離開細胞，導致細胞膜電位呈現比休止電位還要負的現象，這種現象被稱作過極化(hyperpolarization) 。 • 「活化電位」以一種振幅大小不變的方式，沿著軸突方向傳遞。刺激強度的資訊與活化電位的發生頻率有關，而與其振幅的大小無關，其傳遞的速度與(1)軸突的直徑大小以及(2)軸突上之細胞膜的電容及電阻性有關。

  32. 圖1.7：(a)：活化電位示意圖

  33. 1.3.1生物電位與活化電位(7) • 活化電位的產生及傳遞在在都需要時間，倘若信號的傳遞方式就只有此種形式，那麼大型動物豈非會因為體型大而註定行動遲緩？ • 自然的演化導致所謂的「髓鞘環繞的軸突(myelinated axon)」的產生，在整條被許旺細胞包裹住的軸突上，會有一些稱為「郎威埃氏結」(Raviner nodes) 的小間隙沒有被包裹住，因而活化電位可以在此產生，所以對於髓鞘環繞的軸突來說，活化電位是以「跳躍式的傳導(salutatory conduction)」的方式進行，以加速傳遞的速度。

  34. 圖1.7：(b)：發生於髓鞘環繞的軸突的跳躍式傳遞。圖1.7：(b)：發生於髓鞘環繞的軸突的跳躍式傳遞。

  35. 1.3.1生物電位與活化電位(8) • 我們可以用如圖 1.8 所示的電路來模擬位於軸突的細胞膜。 • 其中 Cm 代表細胞膜的電容性，gk、gCl 和 gNa 代表離子進出入細胞膜的難易度， • gk 與 gNa是用可變電阻來說明細胞膜的特性，亦即對鉀與鈉離子來說，進出細胞膜的難易度是會改變的

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