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6. 结构可塑性 • 由于突触的信息传递特性时可变的，随着神经 冲动传递方式的变化，传递作用可增强或者减 弱； • 当轴突有信号输出时，此时，可以认为轴突和 树突已经连接起来； • 当轴突没有信号输出时，轴突与树突可以认为 是不相连的； • 因此，细胞之间的连接是柔软的，也即，细胞 的结构是可塑的。
人工神经网络 模型讲解
2.1 生物神经网络

脑神经系统 神经元的结构 脑神经元的功能
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2.1.1 脑神经系统
• 人工神经网络的研究实质，就是ANN向BNN学习
的问题； • 生物神经系统就是指人的脑神经系统； • 脑是生物的神经中枢，表现在： 1. 脑是遗传基因深化的结果； 2. 脑是后天生命体与环境相互作用的结果； 3. 脑是生命体在适应环境过程中的经验、学习和 训练的结果； • 脑是生物漫长历史进化的结果；
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脑神经系统工作的两个表现形式 • 物理平面、认知平面 • 物理平面 • 脑是一个由物质构成的一个有序结构； • 是由大量神经元（脑神经细胞）相互连接构 成的，即脑的信息处理基本单元是神经元； • 脑的活动具有物质的物理化学变化以及运动 的数学规律； • 如：温度、压力、电位等 • 可以在一个可触及的物质世界里，记录神 经元对电刺激的反应，记录和分析脑电信 号等。
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2. 时间整合功能 • 一个神经元的输出脉冲有一定的时间间隔，在 突触后神经元的所产生的时间叠加就称为时间 整合功能； • 其总和与突触后神经元的时间常数有关； • 时间整合就是神经元对于不同时刻通过同一个 突触输入的神经脉冲具有代数求和功能。 • 时间整合功能和空间整合功能相互结合，使神 经元具有时空整合功能的信息处理能力。
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4. 突触（续）
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当脉冲信息到达突触前部分后，会产生某种化学 物质，从而突触后部分细胞膜的离子通透性发生 了变化，因此在突触后产生了正或负的电位。 这种电位称作突触后电位（Post Synapse Potential, 简称PSP）。 突触前部分通过化学接触，将信息传递到突触后 部分，产生电位变化，从而实现神经元的信息传 14 递。
3. 树突（Dendrite） • 又称枝晶、突起 • 由细胞向外伸出的许多短的突起； • 像树枝一样四处分散开来，在胞体附件比较粗， 离开胞体后不远就很快变细； • 功能是收集其它神经元传送来的神经信息； • 相当于神经元的输入端口；
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4. 突触（Synapse） • 又称神经键； • 一个神经元的轴突（输出端口）与另一个神经 元的树突（输入端口）相互连接，实现神经元 之间信息的传递，该接口部分称为突触； • 突触由两种类型 • 兴奋性 • 抑制型 • 每个神经元有 103 ~104 个突触； 3 4 10 ~ 10 • 每一个神经元可以与 个神经元相互连 接； • 轴突与树突通过突触一一连接，组成一个复杂 的神经网络系统。 12
5. 膜电位（Membrane Potential） • 细胞静止时体内相对于体外有一个电位差，称 为膜电位，大约60mv，膜外为正，膜内为负； • 突触后正或负的电位的产生，分别对应于负的 静止电位的绝对值的减少或者增加。 • 产生正电位称为去极化，产生负电位称为过极 化。 • 能产生正电位的突触称为兴奋型突触，此时有 神经脉冲输出； • 产生负电位的突触称为抑制型突触，此时没有 神经脉冲输出；
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1. 细胞体（Cell Body） • 又称胞体（Soma） • 包含神经元的核核合成细胞生命所想要的物质 • 细胞核（Cell mucleus） • 细胞质（Cell cytoplasm） • 细胞膜（Cell membrane）
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2. 轴突（Axon） • 又称轴索 • 由胞体发出的一根粗细较均匀、表面光滑的突 起，长度一般为几个微米； • 是神经元许多突起中最长的（唯一一根）； • 功能是传出从细胞体输出的神经信息（又称神 经冲动impulse），相当于细胞的输出线路； • 其末端有许多神经末梢（又称轴突末梢），它 把神经信息分发给其它神经元； • 相对于神经元的信号输出端口； • 两种结构形式 • 髓鞘纤维（粗） 10 • 无髓鞘纤维（细）
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• 认知平面 • 脑表现在较低的结构组织（如分子、细胞等）水 • • • •
平上观测不到的现象和性质； 例如：思维、意识、记忆、联想等； 更为奥秘的情感、灵感和创造等； 表现为一个宏观的、与认知行为相联系的集体特 概括 • 脑是物理平面和认知平面的统一体； • 人工神经网络的研究目的 • 通过揭示物理平面与认知平面的映射，了解两
4. 突触（续） • 突触可以分为三个部分 （1）突触前部分 • 第一个神经元的轴突的神经末梢部分 （2）突触间隙 • 轴突与树突并不是直接连通的，而是有 15 ～ 25 nm的宽度，因此，从电学上讲， 轴突与树突是断开的； • 轴突与树突之间的间隙，称为突触间隙； （3）突触后部分 • 第二个神经元的树突前端部分
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2.1.3 脑神经元的功能
• 神经元是脑神经系统信息处理的基本单位； • 具有以下功能 • 空间整合功能 • 时间整合功能 • 兴奋与拟制状态 • 脉冲与电位转换 • 突触延时和不应期 • 学习、遗忘和疲劳
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1. 空间整合功能 • 来自不同神经元的输入信号，作用于神经元的 不同突触； • 所形成的突触后电位，将进行代数相加，使得 神经元的膜电位发生变化，这个过程称为空间 整合功能，又称空间总和功能。 • 该总和的程度与突触后神经元的时间常数有关； • 通俗讲，空间整合功能就是神经元对同一时刻 不同神经元输入的神经冲动（输入信号）有代 数求和功能。
者相互联系和作用的机理；
• 构造向生物神经网络学习的人工神经网络，具
有类似人脑的智能思维和行为的机器。
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2.1.2 脑神经元的结构
• 神经元是脑神经系统的基本组成单元； 10 12 10 10 ~ 10 ~ 10 • 人脑内的神经元大约有 （数十亿至数千
亿）个，神经元之间广泛连接，构成来脑神经系 统智能信息处理的基础。 严格说，没有任意两个神经元在现状上是完全相 同的，但绝大多数的神经元具有共同的结构特征 和功能； 脑神经元可以分为三个部分： • 细胞体 • 轴突 7 • 树突