神经细胞电化学.ppt

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。 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』。 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)。 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。 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]。 腦部相關資訊 (4) 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。 生物類別 (1) 達爾文生物 生物類別 (2) 史金納生物 生物類別 (3) 巴柏生物 生物類別 (4) 格雷利高生物 能力來源 遺傳及後天環境刺激 如何看待刺激？ Illusion (1) Illusion (2) 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。 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。 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。 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(