Меню

Что регулирует активность нейронов



Из чего состоит мозг, и как он работает?

Вспомнить нельзя забыть. (запятую ставит ваш мозг)

Вы можете удивиться, увидев на рисунке морского конька. Гиппокамп, включающий в себя такие «станции метро», как Зубчатая извилина (ЗИ) и Энторинальная область коры (ЭОК) в нижней части лимбической линии, – это особенно плотная область скопления нейронов, которые связаны практически с любой другой частью вашего мозга.

Нейроны и глиальные клетки

Мозг (ЦНС)– самая сложная система человеческого организма, которая управляет всей его деятельностью. При помощи этой системы контролируются не только осознанные процессы: речь, движение, эмоции. Мозг также регулирует все процессы, которые происходят в организме автоматически: моторика кишечника, кровообращение, дыхание, поддержание равновесия, постоянство температуры, секреция гормонов, сон, инстинкты и многое другое…

Нервные клетки, или нейроны, — это строительные кирпичики нашего мозга. Мозг весит полтора килограмма и содержит 100 миллиардов нейронов (что в пятнадцать раз превышает население земного шара). Кроме того, в мозге имеются глиальные клетки, которых в десять раз больше, чем нейронов. Прежде считалось, что глиальные клетки всего лишь удерживают нейроны рядом друг с другом. Новейшие исследования, однако показывают, что глиальные клетки, которыми человеческий организм обладает в большем количестве, чем какой-любой другой, имеют решающее значение для химической передачи информации и тем самым дтя всех процессов в головном мозге, а также для долговременной памяти. Это проливает особый свет на известный факт, что мозг Эйнштейна содержал так много глиальных клеток. Продуктом взаимодействия всех этих миллиардов нервных клеток и является наша духовная сущность Как почка выделяет мочу, так мозг выделяет мысль — неподражаемо сформулировал Якоб Молескотт (1822-1893).

Электрохимическая машина

Принцип работы этих клеток примерно такой же, как у обычного электрического выключателя. У нейронов есть состояние покоя (выключено) и активное состояние (включено), при котором электрический импульс передается дальше по «проводу».

Каждый нейрон состоит из тела клетки, «провода» – аксона, на котором есть своеобразный «контакт» – синапс. Посредством него нейрон соединяется с другим нейроном. Передача импульса в синапсах — химическая. Для этого в нейронах производятся особые химические вещества – нейромедиаторы. К ним относятся, например, адреналин, дофамин и другие. Различные нейроны используют и разные химические вещества. Выброс нейромедиаторов для вызова других нейронов происходит в синапсе.

Кстати, все нервные клетки способны генерировать электрический разряд, общая мощность которого может достигать 60 ватт.
Электрическая активность головного мозга – это один из важных показателей его работы. Ее можно измерить при помощи специального устройства – электроэнцефалографа (ЭЭГ).

Разберем основные отделы ствола мозга.

1. Продолговатый мозг

Возникновение продолговатого мозга связано с дальнейшим развитием жаберного аппарата, имеющего отношение к дыханию и кровообращению. У позвоночных в продолговатом мозге развились органы статики и акустики. Кроме того, в глубине мозга находятся ядра серого вещества (в головном мозге выделяют два типа вещества — серое и белое).

Продолговатый мозг способен работать автономно, именно поэтому невозможно, например, произвольно изменить кровяное давление. Однако человек имеет высшую точку контроля — кору головного мозга, что позволяет иногда вмешиваться
в работу продолговатого мозга. Простое тому подтверждение — способность человека задерживать дыхание. При этом задержать его можно лишь на небольшой промежуток времени, потому как далее дыхание вновь переходит на автономный контроль.

Травмирование продолговатого мозга моментально ведет к летальному исходу, поскольку в нем размещены жизненно важные для существования организма
структуры: центры дыхания, поддержания кровяного давления, ритма сердца. Продолговатый мозг контролирует работу мышц и кожную чувствительность всего
тела, принимает сигналы от спинного мозга. В нем происходит первичная переработка информации, поступающей с мышечных волокон. После эта информация поступает в мозжечок, который корректирует работу мышц, делая ее более координированной и плавной.

Передача информации из спинного мозга в отделы головного. Через мост проходят все восходящие и нисходящие пути, связывающие передний мозг со спинным мозгом, с мозжечком и другими структурами ствола.

Пожалуй, одним из самых главных органов человеческого организма является головной мозг. Благодаря своим свойствам, он способен регулировать все функции живого организма. Медики до сих пор не изучили этот орган до конца, а о его скрытых возможностях даже сегодня выдвигают различные гипотезы.

Источник

5.5. Функции центральной нервной системы

Центральная нервная система (ЦНС) в организме выполняет интегрирующую роль. Она объединяет в единое целое все ткани, органы, координируя их специфическую активность в составе це­лостных гомеостатических и поведенческих функциональных сис­тем (П. К. Анохин). Основными частными функциями ЦНС явля­ются следующие.

Управление деятельностью опорно-двигательного ап­парата. ЦНС регулирует тонус мышц и посредством его перерас­пределения поддерживает естественную позу, а при нарушении восстанавливает ее, инициирует все виды двигательной активнос­ти (физическая работа, физкультура, спорт, любое перемещение организма).

Регуляция работы внутренних органов осуществляет­ся вегетативной нервной системой и эндокринными железами; обеспечивает интенсивность их функционирования согласно потребностям организма в различных условиях его жизнедея­тельности.

Обеспечение сознания и всех видов психической дея­тельности. Психическая деятельность — это идеальная, субъек­тивно осознаваемая деятельность организма, осуществляемая с помощью нейрофизиологических процессов. И. П. Павлов ввел представление о высшей и низшей нервной деятельности. Высшая нервная деятельность это совокупность нейрофизиологиче­ских процессов, обеспечивающих сознание, подсознательную пе­реработку информации и целенаправленное поведение организма в окружающей среде. Психическая деятельность осуществляется с помощью высшей нервной деятельности и протекает осознанно, т.е. во время бодрствования, независимо от того, сопровождается она физической работой или нет. Высшая нервная деятельность про­текает во время бодрствования и сна (см. разделы 15.8, 15.9, 15.10). Низшая нервная деятельность — это совокупность нейрофизиоло­гических процессов, обеспечивающих осуществление безусловных рефлексов.

Формирование взаимодействия организма с окружаю­щей средой. Это реализуется, например, с помощью избегания или избавления от неприятных раздражителей (защитные реакции орга­низма), регуляции интенсивности обмена веществ при изменении температуры окружающей среды. Изменения внутренней среды организма, воспринимаемые субъективно в виде ощущений, также побуждают организм к той или иной целенаправленной двигатель­ной активности. Так, например, в случае недостатка воды и при по­вышении осмотического давления жидкостей организма возника­ет жажда, которая инициирует поведение, направленное на поиск и прием воды. Любая деятельность самой ЦНС реализуется в ко­нечном итоге с помощью функционирования отдельных клеток.

Читайте также:  Регулировка навески к 700 под плуг

5.6. Функции клеток цнс и ликвора, классификация нейронов цнс, их медиаторы и рецепторы

Мозг человека содержит около 50 миллиардов нервных клеток, взаимодействие между которыми осуществляется посредством множества синапсов, число которых в тысячи раз больше количе­ства самих клеток (10 15 -10 16 ), так как их аксоны делятся много­кратно дихотомически, поэтому один нейрон может образовы­вать до тысячи синапсов с другими нейронами. Нейроны оказывают свое влияние на органы и ткани также посредством синапсов.

А. Нервная клетка (нейрон) является структурной и функци­ональной единицей ЦНС, она состоит из сомы (тела клетки с яд-

ром) и отростков, представляющих собой большое число дендри-тов и один аксон (рис. 5.5). Потенциал покоя (ПП) нейрона состав­ляет 60-80 мВ, потенциал действия (ПД) -80-110 мВ. Сома и ден­дриты покрыты нервными окончаниями — синаптическими бутонами и отростками глиальных клеток. На одном нейроне чис­ло синаптических бутонов может достигать 10 тысяч (см. рис. 5.5). Аксон начинается от тела клетки аксонным холмиком. Диаметр тела клетки составляет 10-100 мкм, аксона — 1-6 мкм, на периферии длина аксона может достигать метра и более. Нейроны мозга обра­зуют колонки, ядра и слои, выполняющие определенные функции.

Клеточные скопления образуют серое вещество мозга. Между клет­ками проходят немиелинизированные и миелинизированные не­рвные волокна (дендриты и аксоны нейронов).

Функциями нервной клетки являются получение, переработ­ка и хранение информации, передача сигнала другим нервным клет­кам, регуляция деятельности эффекторных клеток различных ор­ганов и тканей организма. Целесообразно выделить следующие функциональные структуры нейрона.

Структуры, обеспечивающие синтез макромолекул, — это сома (тело нейрона), выполняющая трофическую функцию по от­ношению к отросткам (аксону и дендритам) и клеткам-эффекторам. Отросток, лишенный связи с телом нейрона, дегенерирует. Макро­молекулы транспортируются по аксону и дендритам.

Структуры, воспринимающие импульсы от других нервных клеток, — это тело и дендриты нейрона с расположенными на них шипиками, занимающими до 40% поверхности сомы нейрона и ден-дритов. Причем, если шипики не получают импульсацию, они исчезают. Импульсы могут поступать и к окончанию аксона — аксо-аксонные синапсы, например, в случае пресинаптического тормо­жения.

Структуры, где обычно возникает потенциал действия (гене­раторный пункт ПД), — аксонный холмик.

Структуры, проводящие возбуждение к другому нейрону или к эффектору, — аксон.

Структуры, передающие импульсы на другие клетки, — си­напсы.

Б. Классификация нейронов ЦНС. Нейроны делят на следу­ющие основные группы.

В зависимости от отдела ЦНС выделяют нейроны сомати­ческой и вегетативной нервной системы.

По источнику или направлению информации нейроны под­разделяют на: а) афферентные, воспринимающие с помощью ре­цепторов информацию о внешней и внутренней среде организма и передающие ее в вышележащие отделы ЦНС; б) эфферентные, передающие информацию к рабочим органам — эффекторам; не­рвные клетки, иннервирующие эффекторы, иногда называют эф-фекторными; эффекторные нейроны спинного мозга (мотонейроны) делят на а- иу-мотонейроны; в) вставочные (интернейроны), обес­печивающие взаимодействие между нейронами ЦНС.

По медиатору, выделяющемуся в окончаниях аксонов, раз­личают нейроны адренергические, холинергические, серотонинер-гические и т. д.

По влиянию — возбуждающие и тормозящие.

В. Глиальные клетки (нейроглия — «нервный клей») более многочисленны, чем нейроны, составляют около 50% объема ЦНС. Они способны к делению в течение всей жизни. Размеры глиальных клеток в 3—4 раза меньше нервных, с возрастом их число увеличивается (число нейронов уменьшается). Тела нейронов, как и их аксоны, окружены глиальными клетками. Глиальные клетки выполняют несколько функций: опорную, защитную, изолирующую, обменную (снабжение нейронов питательными веществами). Микроглиальные клетки способны к фагоцитозу, ритмическому изменению своего объема (период «сокращения» -1,5 мин, «расслабления» — 4 мин). Циклы изменения объема повторяются через каждые 2-20 час. Полагают, что пульсация способствует продвижению аксоплазмы в нейронах и влияет на ток межклеточной жидкости. Мембранный потенциал клеток нейроглии составляет 70-90 мВ, однако ПД они не генерируют, возникают только лишь локальные токи, электротонически распространяющиеся от одной клетки к другой. Процессы возбуж­дения в нейронах и электрические явления в глиальных клетках, по-видимому, взаимодействуют.»

Г. Ликвор бесцветная прозрачная жидкость, заполняющая мозговые желудочки, Спинномозговой канал и субарахноидальное пространство. Ее происхождение связано с интерстициальной жид­костью мозга, значительная часть ликвора образуется сосудисты­ми сплетениями желудочков мозга. Непосредственной питатель­ной средой клеток мозга является интерстициальная жидкость, в которую клетки выделяют также и продукты своего обмена. Лик-вор представляет собой совокупность фильтрата плазмы крови и интерстициальной жидкости: она содержит около 90% воды и око­ло 10% сухого остатка (2% — органические, 8% — неорганические вещества).

Д. Медиаторы и рецепторы синапсов ЦНС. Медиаторами синапсов ЦНС являются многие химические вещества, разнород­ные в структурном отношении (в головном мозге к настоящему времени обнаружено около 30 биологически активных веществ). Вещество, из которого синтезируется медиатор (предшественник медиатора), попадает в нейрон или его окончание из крови или ликвора, в результате биохимических реакций под действием ферментов в нервных окончаниях превращается в соответствую­щий медиатор и накапливается в синаптических везикулах. По химическому строению медиаторы можно разделить на несколько групп, главными из которых являются амины, аминокислоты, полипептиды. Достаточно широко распространенным медиатором является ацетилхолин.

Согласно принципу Дейла, один нейрон синтезирует и ис­пользует один и тот же медиатор или одни и те же медиаторы во всех разветвлениях своего аксона («один нейрон — один меди­атор»). Кроме основного медиатора, как выяснилось, в окончаниях аксона могут выделяться и другие — сопутствующие медиаторы (ко-медиаторы), играющие модулирующую роль и более медленно дей­ствующие. Однако в спинном мозге установлено два быстродейству­ющих медиатора в одном тормозном нейроне — ГАМК и глицин и даже один тормозной (ГАМК) и один возбуждающий (АТФ). По­этому принцип Дейла в новой редакции сначала звучал: «Один ней­рон — один быстрый медиатор», а затем: «Один нейрон — один быс­трый синаптический эффект» (предполагаются и другие варианты).

Эффект действия медиатора зависит в основном от свойств постсинаптической мембраны и вторых посредников. Это явление особенно ярко демонстрируется при сравнении эффектов отдельных медиаторов в ЦНС и в периферических синапсах организма. Ацетил­холин, например, в коре мозга при микроаппликациях на разные нейроны может вызывать возбуждение и торможение, в синапсах сер­дца — торможение, в синапсах гладкой мускулатуры желудочно-ки­шечного тракта — возбуждение. Катехоламины стимулируют сердеч­ную деятельность, но тормозят сокращения желудка и кишечника.

Читайте также:  Как отрегулировать выжимной на уаз 469

5.7. МЕХАНИЗМ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕЙРОНОВ ЦНС

В любых химических синапсах (ЦНС, вегетативных ганглиях, в нервно-мышечном) механизмы передачи сигнала в общих чертах подобны (см. раздел 2.1). Однако в возбуждении нейронов ЦНС имеются характерные особенности, основными из которых явля­ются следующие.

Для возбуждения нейрона (возникновения ПД) необ­ходимы поток афферентных импульсов и их взаимодействие. Это объясняется тем, что один пришедший к нейрону импульс вы­зывает небольшой возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП, рис. 5.6) — всего 0,05 мВ (миниатюрный ВПСП). Один пу­зырек содержит до нескольких десятков тысяч молекул медиатора, например ацетилхолина. Если учесть, что пороговый потенциал нейрона 5-10 мВ, ясно, что для возбуждения нейрона требуется множество импульсов.

Место возникновения генераторных ВПСП, вызываю­щих ПД нейрона. Подавляющее большинство нейрональных си­напсов находится на дендритах нейрона. Однако наиболее эффек­тивно вызывают возбуждение нейрона синаптические контакты,

расположенные на теле нейрона. Это связано с тем, что постси-наптические мембраны этих синапсов располагаются в непосред­ственной близости от места первичного возникновения ПД, рас­полагающегося в аксонном холмике. Близость соматических синапсов к аксонному холмику обеспечивает участие их ВПСП в механизмах генерации ПД. В этой связи некоторые авторы предла­гают называть их генераторными синапсами.

Генераторный пункт нейрона, т.е. место возникнове­ния ПД, аксонный холмик. Синапсьг на нем отсутствуют, отли­чительной особенностью мембраны аксонного холмика является вы-» сокая возбудимость, в 3-4 раза превосходящая возбудимость сома-дендритной мембраны нейрона, что объясняется более высо­кой концентрацией Ыа-каналов на аксонном холмике. ВПСП элек-тротонически достигают аксонный холмик, обеспечивая здесь уменьшение мембранного потенциала до критического уровня. В этот момент возникает ПД. Возникший в аксонном холмике ПД, с одной стороны, ортодромно переходит на аксон, с другой — анти­дромно на тело нейрона.

Роль дендритов в возникновении возбуждения до сих пор дискутируется. Полагают, что множество ВПСП, возникающих на дендритах, электротонически управляют возбудимостью нейрона. В этой связи дендритные синапсы получили название модулятор­ных синапсов.

5.8. ХАРАКТЕРИСТИКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ В ЦНС

Особенности распространения возбуждения в ЦНС объясняют­ся ее нейронным строением — наличием химических синапсов, мно­гократным ветвлением аксонов нейронов, наличием замкнутых ней­ронных путей. Этими особенностями являются следующие.

Одностороннее распространение возбуждения в нейрон­ных цепях, в рефлекторных дугах. Одностороннее распростране­ние возбуждения от аксона одного нейрона к телу или дендритам другого нейрона, но не обратно, объясняется свойствами химиче­ских синапсов, которые проводят возбуждение только в одном на­правлении.

Замедленное распространение возбуждения в ЦНС по сравнению с нервным волокном объясняется наличием на путях распространения возбуждения множества химических синапсов. Суммарная задержка передачи возбуждения в нейроне до возник­новения ПД достигает величины порядка 2 мс.

Иррадиация (дивергенция) возбуждения в ЦНС объяс­няется ветвлением аксонов нейронов, их способностью устанавли­вать многочисленные связи с другими нейронами, наличием вста­вочных нейронов, аксоны которых также ветвятся (рис. 5.7 — А).

Конвергенция возбуждения (принцип общего конечного пути) — схождение возбуждения различного происхождения по нескольким путям к одному и тому же нейрону или нейронному пулу (принцип шеррингтоновской воронки). Объясняется наличием мно­гих аксонных коллатералей, вставочных нейронов, а также тем, что афферентных путей в несколько раз больше, чем эфферентных ней­ронов. На одном нейроне ЦНС могут располагаться до 10 000 си­напсов, на мотонейронах — до 20 000 (рис. 5.7 — Б).

Циркуляция возбуждения по замкнутым нейронным цепям, которая может продолжаться минутами и даже часами (рис. 5.8).

6. Распространение возбуждения в центральной нервной системе легко блокируется фармакологическими препаратами, что находит широкое применение в клинической практике. В физиоло­гических условиях ограничения распространения возбуждения по ЦНС связаны с включением нейрофизиологических механизмов торможения нейронов.

Рассмотренные особенности распространения возбуждения дают возможность подойти к пониманию отличительных свойств нервных центров.

Источник

Электрическая активность нейрона.

Информативная деятельность нервных клеток связана с их электрической активностью и осуществляется на основе синаптического возбуждения, синаптического торможения и генерации нервных импульсов. Данные процессы базируются на специфических свойствах клеточной мембраны, разделяющей внутриклеточную и внеклеточную среду. Как та, так и другая среды содержат положительные ионы натрия, калия и других элементов.

Мембрана имеет толщину 5нм и состоит из двух молекулярных слоев, в которые встроены канальные белки, образующие шлюзы для ионов внутри и внеклеточной среды. Управление закрыванием или открыванием шлюзов осуществляется с помощью электрического, либо химического механизмов. Электрически управляемые белки (ЭУБ) расположены в основном на мембране аксона и частично сомы, а химически управляемые белки (ХУБ) расположены на мембранах дендритов и сомы. Кроме того, мембрана клетки пронизана белками, реализующими функцию ионного насоса (ИН).

Белки ИН постоянно выводят из клетки ионы натрия и вводят в нее ионы калия. Так, что вне клетки ионов натрия примерно в 10 раз больше, чем внутри нее, а ионов калия, наоборот, в клетке в 10 раз больше, чем вне ее. При таких концентрациях внутренний потенциал нейрона оказывается отрицательным и составляет – 70 мВ. В невозбужденном состоянии белки ионных насосов работают непрерывно при закрытых шлюзах. Потенциал покоя постоянен.

Если под влиянием внешних факторов внутренний потенциал повысится до некоторой пороговой величины, то расположенные у основания аксона (аксоном холмике) ЭУБ откроют свои шлюзы. Через них внутрь клетки начнут поступать в большом количестве положительные ионы натрия. Локальный внутренний потенциал аксона увеличивается и достигает положительных значений (+ 40 мВ). При таких значениях шлюзы положительных ионов натрия закрываются и открываются шлюзы положительных ионов калия. В локальной области увеличенного потенциала начинают уходить положительные ионы калия, потенциал снижается до исходной величины, шлюзы закрываются и ионный насос восстанавливает потенциал покоя.. Таким образом возникает электрический импульс, называемый спайком. Длительность импульса составляет примерно 3 мсек.

Возникнув в аксоном холмике, импульс вызывает последовательное открывание шлюзов следующего по ходу аксона участков мембраны, что приводит к его перемещению по мембране аксона вплоть до терминальных волокон (синаптических бляшек).

Нейрон получает сигналы (импульсы) от других нейронов через дендриты (приемники) и передает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль аксона (передатчик), который в конце разветвляется на волокна На окончаниях этих волокон находятся синапсы .

Рис. 1Схема биологического нейрона.

Синапс является элементарной структурой и функциональным узлом между двумя нейронами (волокно аксона одного нейрона и дендрит другого). Когда импульс достигает синаптического окончания, высвобождаются определенные химические вещества, называемые нейротрансмиттерами (медиаторами). Молекулы медиатора диффундируют через щель и попадают на постсинаптическую мембрану дендрита или сомы следующего нейрона. Попав на мембрану медиатор открывает расположенные здесь каналы химически управляемых белков. Если синапс возбуждающий, то медиатор открывает каналы положительных ионов натрия, если тормозящий – калия. В первом случае ионы натрия поступают в клетку и возбуждают ее, смещая внутриклеточный потенциал в положительную область, во втором — ионы калия уходят из клетки и тормозят ее, смещая внутриклеточный потенциал в отрицательную область. Результативность синапса может настраиваться проходящими через него сигналами, так что синапсы могут обучаться в зависимости от активности процессов, в которых они участвуют. Эта зависимость от предыстории действует как память, которая, возможно, ответственна за память человека. В головном мозге человека 1 мм 3 формирует независимую локальную сеть, несущую определенную функциональную нагрузку.

Читайте также:  Регулировка створок металлопластиковых окон

Нейроны взаимодействуют посредством короткой серии импульсов, как правило, продолжительностью несколько мсек. Сообщение передается посредством частотно-импульсной модуляции. Частота может изменяться от нескольких единиц до сотен герц, что в миллион раз медленнее, чем быстродействующие переключательные электронные схемы. Тем не менее, сложные решения по восприятию информации, как, например, распознавание лица, человек принимает за несколько сотен мс. Эти решения контролируются сетью нейронов, которые имеют скорость выполнения операций всего несколько мс. Это означает, что вычисления требуют не более 100 последовательных стадий. Другими словами, для таких сложных задач мозг «запускает» параллельные программы, содержащие около 100 шагов. Это известно как «правило ста шагов». Рассуждая аналогичным образом, можно обнаружить, что количество информации, посылаемое от одного нейрона другому, должно быть очень маленьким (несколько бит). Отсюда следует, что основная информация не передается непосредственно, а захватывается и распределяется в связях между нейронами.

ИСКУССТВЕННЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ

Искусственная нейронная сеть – это набор нейронов, соединенных между собой. Как правило, активационная функция всех нейронов в сети фиксирована, а весв являются параметроами и могут изменяться. Некоторые входы нейронов помечены как внешние входы сети, а некоторые – как выходы – как выходы сети. Подавая любые числа на входы на выходе сети получаем какой-то набор чисел. пара Таким образом, работа нейронной сети состоит в преобразовании входного вектора Х в выходной вектор У, причем это преобразование задается весами сети

Например: алфавит русского языка содержит 33 буквы. Необходимо распознать буквы алфавита.

Дано: растровое черно-белое изображение букв размером 30х30 пикселов.

Задача для нейронной сети сформировать входной вектор из 900 двоичных символов, выходной вектор должен содержать 33 символа.

Подобно биологической нейронной системе ИНС является вычислительной системой с огромным числом параллельно функционирующих простых процессоров с множеством связей. Модели ИНС в некоторой степени воспроизводят «организационные» принципы, свойственные мозгу человека. Основу каждой НС составляют относительно простые, в большинстве случаев – однотипные, элементы (ячейки), имитирующие работу нейронов мозга. Далее под нейроном будет подразумеваться искусственный нейрон, то есть ячейка НС. Каждый нейрон характеризуется своим текущим состоянием по аналогии с нервными клетками головного мозга, которые могут быть возбуждены или заторможены. Нейрон — это элементарный преобразовательный элемент, имеющий непустое множество входов, на которые поступают сигналы х1, х2, …, хn, суммирующий блок, блок преобразования сигнала с помощью активационной функции и и один выход У. Каждому входу приписан свой «вес» wi (соответствующий «мере» биологической синаптической связи). Функционирует нейрон в два такта, на первом такте в суммирующем блоке вычисляется величина возбуждения полученного нейроном, которую удобно представлять в виде скалярного произведения вектора входных сигналов на вектор весов. На втором такте суммарное возбуждение пропускается через активационную (преобразующую) функцию F в результате чего получается выходной сигнал Y = F(Y).

Он обладает группой синапсов – однонаправленных входных связей, соединенных с выходами других нейронов, а также имеет аксон – выходную связь данного нейрона, с которой сигнал (возбуждения или торможения) поступает на синапсы следующих нейронов. Общий вид нейрона приведен на рисунке 2.

Рис.2. Схема искусственного нейрона.

Каждый синапс характеризуется величиной синаптической связи или ее весом wi, который по физическому смыслу эквивалентен электрической проводимости.

Текущее состояние нейрона определяется, как взвешенная сумма его входов:

Выход нейрона есть функция его состояния y = F(s) , которая может быть различной:

Рис.3 Виды функций активации а) функция единичного скач­ка; б) линейный порог (гис­те­ре­зис); в) сигмоид – гипербо­ли­ческий тангенс; г) сигмоид.
Рис.3 Виды функций активации а) функция единичного скач­ка; б) линейный порог (гис­те­ре­зис); в) сигмоид – гипербо­ли­ческий тангенс; г) сигмоид.

Нелинейнаяфункция F называется активационной и может иметь различный вид, как показано на рисунке 3. Одной из наиболее распространенных является нелинейная функция с насыщением, так называемая логистическая функция или сигмоид (т.е. функция S-образного вида):

При уменьшении a сигмоид становится более пологим, в пределе при a=0 вырождаясь в горизонтальную линию на уровне 0.5, при увеличении a сигмоид приближается по внешнему виду к функции единичного скачка с порогом T в точке x=0. Из выражения для сигмоида очевидно, что выходное значение нейрона лежит в диапазоне [0,1]. Одно из ценных свойств сигмоидной функции – простое выражение для ее производной.

Следует отметить, что сигмоидная функция дифференцируема на всей оси абсцисс, что используется в некоторых алгоритмах обучения. Кроме того, она обладает свойством усиливать слабые сигналы лучше, чем большие, и предотвращает насыщение от больших сигналов, так как они соответствуют областям аргументов, где сигмоид имеет пологий наклон.

МакКалок и Питтс доказали, что при соответствующем образом подобранных весах совокупность параллельно функционирующих нейронов подобного типа способна выполнять универсальные вычисления. Здесь наблюдается определенная аналогия с биологическим нейроном — передачу сигнала и взаимосвязи имитируют аксоны и дендриты, веса связей соответствуют синапсам, а пороговая функция отражает активность сомы.

ИНС может рассматриваться как направленный граф со взвешенными связями в котором искусственные нейроны являются узлами. По архитектуре связей ИНС могут быть сгруппированы в два класса (рис. 2): сети прямого распространения, в которых графы не имеют петель, и рекуррентные сети, или сети с обратными связями.

Источник

Adblock
detector