王慧东 神经网络与高级思维 某一客观事物的信息 如果经过大脑处理能够引发出一系列的动作（这是一种反射现象，符合前面对反射的定义）

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神经网络与高级思维12008年09月26日 14:11作者：王慧东

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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。

三、 神经网络的基本工作原理

1、 反射

自然界中，事物的发展、能量的转化、信息的传递等等各种的自然现象都包含着因果关系，只要时间没有停滞，这种关系将广泛存在，从“因”到“果”，贯穿着事物的发展过程，当过程长且复杂时我们称之为“事件”，反之则称之为“触发”。

生物个体在与外界环境或是个体自身进行物质或信息交换时，也存在着这种现象，在这里我们称之为“反射”。

反射是最基本的神 经活动，现行的说法是将反射分为两种，无条件反射和条件反射，其中，无条件反射是动物和人生下来就具有的，即遗传下来的对外部生活条件特有的稳定的反应方 式，在心理发展的早期阶段，这种反应方式提供最基本的生存技能，也就是本能，如：食物反射、防御反射、定向反射，还有一些可能是在人类进化过程中，曾经有 一定生物适应意义的无条件反射，如：巴宾斯基反射、抓握反射、惊跳反射（又叫摩罗反射）、游泳反射、行走反射等，此外，还有其他一些无条件反射，如眨眼反 射、瞳孔反射、吞咽反射、打嗝、喷嚏等等。

条件反射是后天训练出来的，著名科学家巴甫洛夫就曾对条件反射的形成、消退、自然恢复、泛化、分化以及各种抑制现象进行过相当细致、系统的实验研究，。

无论是条 件反射还是无条件反射，从主观上都可以看作是一种因果作用关系，即都存在着触发条件，都会导致某一结果的产生，所以无条件反射其实也属于条件反射范畴。只 有在成因上，无条件反射是根据遗传信息形成的神经网络结构，而条件反射是后天在先前的网络基础上，依据外界环境继续发展完善的神经网络结构。两者之间是继 承和发展的关系，但从这两个阶段所形成的神经网络功能来看，对外界的刺激都具备输入、传递、输出这一处理过程即反射过程，所以从某种意义上讲，也可以把无 条件反射归类到条件反射范畴中去，或者说条件反射等同于反射。

神经系统中的条件反射具有三个要素：输入、传递、输出。其中的每一个要素既可以用单个神经元表示，也可以用一个神经群落来表示。当用少数几个神经元表示时，对应的是生物个体对局部刺激的反应，当扩展到神经群落时，对应的就可能就是对某一激发事件的处理方法了。

反射中的输入，最 能使我们联想到传入神经元（感觉神经元），但在这里，它可以指单个的感觉神经元，也可以指一种感官（眼睛中的视神经群落、耳中的听觉神经中枢、皮肤中与各 类感受器连接的神经群落等等），甚至可以是大脑中某一区域内形成某一表象或是概念的神经群落。反射中的输出同样可以指传出神经元（即脊髓前角或脑干的运动 神经元），也可以指大脑中某一区域内形成某一概念或是表象的神经群落。反射中的中间传递过程是信息的加工处理的过程，可以由单个神经元、神经链路或是神经 网络来承担，甚至可以直接由输入与输出的对应载体来分担。这样生物神经系统中的反射弧只是它的一个子项罢了，条件反射在主观上也对应着我们常说的“产生、 经过与结果”即因果关系。　

2、 认知

有一个低等生物海兔的记忆试验:海兔本身具有被触摸(水管部分)后的鳃缩反射,但连续十几次的刺激后,鳃缩反应就逐渐减慢.经过研究发现,海兔的习惯化是由于神经递质发生变化所致.进一步的研究发现这种变化是突触中的感觉神经元的Ca离子门关闭,导致递质的释放量减少所致.上述试验说明简单的记忆与神经递质和突触有关.又如大鼠的大脑皮质切除试验:用迷宫训练大鼠,如果大鼠学会并记住顺利走出迷宫的道路后,切除它的大脑皮质,记忆就会消退.不论切除的是大脑皮质的哪一部分,总是切除的多,记忆消退的多;切除的少,记忆消退的就少。

首先，认知通常强调的是结果，是神经网络定型后的结果。神经网络的定型过程就是认知的建立过程，也就是生物个体的学习过程，它同时表现了出生物的记忆过程。定型好的神经网络对触发信息的处理过程即反射过程，就是记忆的提取过程，也正是通过这一过程反映出了认知的存在。

生 物个体对客观事物的认知可以解释为：客观事物在主观意识中形成了表象，并且该表象与一系列的活动（生理的或心理的）相联系。换句话说，某一客观事物的信息 如果经过大脑处理能够引发出一系列的动作（这是一种反射现象，符合前面对反射的定义），我们就可以说对这一事物已经认知了。

行 为主义与符号主义中对认知建立过程中所显现出的记忆现象都有很详细的类别划分，其中每一种记忆类别都仅与一种认知的建立模式相对应。所以，与其用记忆类别 来划分还不如用认知类别来划分更为合理，在这里由于篇幅所限，我仅将认知简单概括为以下三种类别：物体认知、事件认知以及两种认知的衍生产物抽象事物认 知。

a、 物体认知

感受外界客观环境 最简单的办法是通过感官直接去“接触”物质对象，并通过大脑处理，并最终导致一个或一系列的结果，这种因果过程就是对客观物体的认知。如：看到一个苹果， 我们产生了拿的动作，同时也可以产生许多其他的动作如激活色彩感觉中枢、激活味觉中枢等等，当可以有这些动作产生时，就完成了对苹果的认知。

下面我们将详细讲解神经网络对物体认知的描述。

一个输入集合I（触觉、视觉等的感应细胞构成的集合或是处于某一层次上的神经元集合）对之内两个不同区域（A、B）的刺激做出相应Y与X两种不同反应的神经处理过程, 如图2。



图2 的a、b、c为三种AB可能存在的输入情况。图2a中A、B分别对应Y、X，神经链路没有重叠，刺激A时得到Y的输出，刺激B时得到X的输出，结果不会出现问题，请注意：带有方向的黑线只是代表逻辑上的链路，在实际中，链路与链路之间有质的区别，这里只做简单的等价说明，用数量表示质量。图2b中A、B间有了交叉，在处理过程中，当A受到刺激会产生Y的输出，同时会有三条逻辑链路去刺激X，但做为X的全部决定因素，这三条相比从B到X余下的空闲联络，只占很小的一部分，它们还不足以激活X，所以分别刺激A、B仍然会得到正确的输出。对于X这 种在某一层次上的输出神经元来说，是否能被激活，主要取决于所有处于不同状态的输入链路的能量对比，在这里能量被量化为逻辑链路的数量，这样每个神经元对 值的判断则等价为判断处于激活状态的逻辑链路数是否过半。此类神经链路就是兴奋类传导神经网络，单纯采用此类神经链路的系统只需要根据相应刺激感受区域是 否有刺激发生，就可以得出正确的输出结果，但是在图2c中，刺激区域A包含着B的情况下，如果刺激B区会有正确输出X，然而如果刺激A区则会出错，Y与X会同时有效，这时我们就需要一种链路来阻止这种错误的发生，这就是抑制类神经链路，如图2c中的虚线箭头所示，抑制类逻辑链路只起到冲减、抵消兴奋类逻辑链路数量的作用，使得X在冲减后的兴奋链路合计数小于阀值，从而达到唯一正确输出Y得目的。