下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
由于冯·诺依曼体系结构的局限性，数字计算机存在一些尚无法解决的问题。人们一直在寻找新的信息处理机制，神经网络计算就是其中之一。虽然人类还没有掌握生物神经元的功能与结构，目前所说的人工神经元与生物神经元之间也可能有很大的区别，但生物神经元是人工神经元的原型。因此，对生物神经元的学习很有必要。
狭义地讲脑科学就是神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究。（美国神经科学学会）广义地讲，脑科学是研究脑的结构和功能的科学，包括认知神经科学等。
人脑大约由140亿个神经元组成，神经元互相连接成神经网络。神经元是大脑处理信息的基本单元，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、轴突和突触组成。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，即超过其阈值电位时，突触前膜将向突触间隙释放神经传递的化学物质。
1）神经元学说
神经元之间接触的部位，并认为神经元与神经元之间在这个部位进1897年，谢灵顿提出使用“突触”这个术语来描述一个神经元与另一个神经元进行信息沟通。1907年，巴甫洛夫将狗对食物之外的无关刺激引起的唾液分泌现象称为条件反射。
20世纪初，兰利和他的学生发现肾上腺素的效应与刺激交感神经系统的效应十分相似。后来戴尔发现胆碱及其衍生物对心脏、膀胱和唾液腺的效应与刺激副交感神经相似，特别是乙酰胆碱最有效。奥托·勒维在1921年所做的实验证明，刺激迷走神经释放活性化学物质，抑制心搏，继而证明，这种化学物质就是乙酰胆碱。1936年，戴尔等人在刺激支配肌肉的运动神经后得到神经释放的乙酰胆碱，因而把化学传递推广到全部的外周神经系统。
1948年，比克尔在将小鼠肉瘤S180移植于三日龄鸡胚体壁时，与移植片连接的脊髓感觉神经节及交感神经节增大20%～40%。基于比克尔的这一发现，1954年，科恩等从小鼠肉瘤S180和S37中成功地分离出具同一活性的蛋白质，随后又从蛇毒中分离出具有千倍活性的蛋白质和从小鼠鄂下腺分离出具有万倍活性的蛋白质，这种蛋白质被称为神经生长因子。
20世纪50年代，霍奇金、赫胥黎、卡茨和艾克尔斯用微电极获得精确的电信号记录。电子显微镜的应用揭示了突触和神经元的细微结构。20世纪60年代，树突的整合功能被认知，证明神经系统有无冲动的突触回路和突触相互作用。
2）生物神经元结构
生物神经元包括细胞体、树突、轴突、突触等部位，具体结构如图1-13所示。
图1-13 生物神经元结构
（1）细胞体：包括细胞核、细胞质和细胞膜。
（2）树突：胞体短而多分枝的突起，负责接收来自其他神经元的输入信号，相当于细胞体的输入端（input）。
（3）轴突：胞体上最长枝的突起，也称神经纤维，端部有很多神经末梢传出神经冲动。
（4）髓鞘：包裹在神经细胞轴突外面的一层膜。其作用是绝缘，防止神经电冲动从神经元轴突传递至另一神经元轴突。
（5）神经末梢：神经纤维的末端部分，分布在各种器官和组织内。按其功能不同，分为感觉神经末梢和运动神经末梢。
3）神经元的功能
兴奋与抑制：当传入神经元冲动，经整合，使细胞膜电位升高，超过动作电位的阈值时，为兴奋状态，产生神经冲动，由轴突经神经末梢传出；当传入神经元的冲动，经整合，使细胞膜电位降低，低于动作电位的阈值时，为抑制状态，不产生神经冲动。
学习与遗忘：由于神经元结构的可塑性，突触的传递作用可增强或减弱，因此，神经元具有学习与遗忘的功能。
人工神经网络是在现代神经生物学研究基础上提出的模拟生物过程，反映人脑某些特性的一种计算结构。它不是人脑神经系统的真实描写，而只是它的某种抽象、简化和模拟。在人工神经网络中，人工记忆神经元常被称为“处理单元”。有时从网络的观点出发常把它称为“节点”。人工记忆神经元是对生物神经元的一种形式化描述，它对生物神经元的信息处理过程进行抽象，并用数学语言予以描述；对生物神经元的结构和功能进行模拟，并用模型图予以表达。
1943年，麦卡洛克和匹兹基于对大脑神经元的研究提出了人工神经元模型（M-P模型）（见图1-14）。图中，左边的 I 1 ,I 2 ,…,I N为输入单位，可以从其他神经元接受输出，然后将这些信号经过加权（ W 1 ,W 2 , …,W N）传递给当前的神经元并完成汇总。如果完成汇总的输入信息强度超过了一定的阈值（ T ），则该神经元就会发出一个信号 y 给其他神经元或者直接输出到外界。该模型后来被称为麦卡洛克-匹兹模型，可以说它是第一个真实神经元的模型。
图1-14 人工神经元模型
人工神经元模拟生物神经元的基本特征，建立多种神经元模型，进入深度学习。生物神经元是人工神经元的原型，虽然人类无法掌握生物神经元的功能与结构，但人工智能的目的就是使机器具有同人相当的智力。