第03讲神经元与

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1、第三讲神经元与网络结构3．1生物神经元及生物神经网络3．1．1生物神经元人脑大约由1012个神经元组成，而其中的每个神经元又与约102～104个其他神经元相连接，如此构成一个庞大而复杂的神经元网络。神经元是大脑处理信息的基本单元，它的结构如图3—1所示。它是以细胞体为主体，由许多向周围延伸的不规则树枝状纤维构成的神经细胞，其形状很像一棵枯树的枝干。它主要由细胞体、树突、轴突和突触(Synapse，又称神经键)组成。图3－1生物神经元示意图细胞体由细胞核、细胞质和细胞膜组成。细胞体是神经元新陈代谢的中心，还是接受与处

2、理信息的部件。树突是细胞体向外延伸树枝状的纤维体，它是神经元的输入通道，接受来自其他神经元的信息。轴突是细胞体向处延伸的最长、最粗的一条树枝纤维体，即神经纤维，其长度从几个微米到1m14左右。它是神经元的输出通道。轴突末端也有许多向外延伸的树枝状纤维体，称为神经末梢，它是神经元信息的输出端，用于输出神经元的动作脉冲。轴突有两种结构形式：髓鞘纤维和无髓鞘纤维，两者传递信息的速度不同，前者约为后者的10倍。一个神经元的神经末梢与另一神经元树突或细胞体的接触处称为突触，它是神经元之问传递信息的输入输出接口。每个神经元约有

3、103～104个突触。从神经元各组成部分的功能来看，信息的处理与传递主要发生在突触附近。当神经元细胞体通过轴突传到突触前膜的脉冲幅度达到一定强度，即超过其阈值电位后，突触前膜将向突触间隙释放神经传递的化学物质(乙酰胆碱)。由于这种化学物质的扩散，使位于突触后膜的离子通道(IonChannel)开放，产生离子流，从而在突触后膜产生正的或负的电位，称为突触后电位。突触有两种：兴奋性突触和抑制性突触。前者产生正突触后电位，后者产生负突触后电位。一个神经元的各树突和细胞体往往通过突触和大量的其他神经元相连接。这些突触后电位

4、的变化，将对该神经元产生综合作用，即当这些突触后电位的总和超过某一阎值时，该神经元便被激活，并产生脉冲，而且产生的脉冲数与该电位总和值的大小有关。脉冲沿轴突向其他神经元传送，从而实现了神经元之间信息的传递。突触传递信息有一定的延迟时间，对于温血动物一般为0．3—1ms。当一个神经元突触前传来一串脉冲时，突触后电位的变化是其中诸单脉冲冲动效应的累加，即时间上的累加。而该神经元与其他很多神经元相连接的突触前同时传来的脉冲也能引起该突触后电位的变化，即空间上的累加。时间累加和空间累加都会对突触后电位产生影响。最后，将突触

5、传递信息的功能和特点归纳为：(1)信息传递有时延，一般为0.3～lms。(2)信息的综合有时间累加和空间累加。(3)突触有兴奋性和抑制性两种类型。(4)具有脉冲／电位信号转换功能。沿神经纤维传递的电脉冲为等幅(约60—100mV)、恒宽、编码的离散信号，而细胞膜电位的变化为连续的模拟量。由此可见突触有数／模转换功能。这种转换是通过神经介质以量子化学的方式实现的。(5)神经纤维传导的速度，即脉冲沿神经纤维传递的速度，在1—150m／s之间，它随纤维的粗细以及髓鞘的有无而不同。有髓鞘的粗纤维，其传递速度在100m／s以

6、上；无髓朗的纫纤维，其传递速度可低至每秒数米。14(1)存在不应期。在两个相邻脉冲之间，神经元的阈值电位突然升高，阻止下一个脉冲的通过，这段时间称为不应期，约3—5ms。在此期间，对激励不响应，不能传递脉冲。(2)不可逆性，脉冲只从突触前传到突触后，不逆向传递。(3)可塑性，突触传递信息的强度是可变的，即具有学习功能。可塑性是学习和记忆的基础。(4)存在遗忘或疲劳效应。3．1．2人脑神经网络系统生物神经网络是由很多神经元相互连接的，神经网络系统是一个极为庞大则错综复杂的系统。每个神经元虽然都十分简单，但是，如此大量

7、神经元之间非常复杂的连接却可以演化出丰富多彩的行为方式。同时，如此大量神经元与外部感受器之间的多种多样的连接方式也蕴含了变化莫测的反应方式。总之，连接方式的多样化导致了行为方式的多样化。脑神经系统的主要组成部分如图3—2所示。人脑具有阶层结构，其中最复杂的部分是处于大脑最外层的大脑皮层。在大脑皮层中密布着由大量神经元构成的神经网络，这就使它具有高度的分析相综合能力。它是人脑思维活动的物质基础，是脑神经系统的核心部分。14图3—2脑神经系统的主要组成部分人们通过长期的研究，进一步探明了大脑皮层是由许多不同的功能区构成

8、的。例如，有的区专门负责运动控制，有的区专门负责听觉，有的区专门负责视觉等。在每个功能区中，又包含许多负责某一具体功能的神经元群。例如，在视觉神经区，存在着只对光线方向性产生反应的神经元。更进一步细分，某一层神经元仅对水平光线产生响应，而另一层神经元只对垂直光线产生反应。需要特别指出的是，大脑皮层的这种区域性结构，虽然是由人的遗传特性所决定的，是先天性的，但