Биологические нейронные сети
Сеть нейронов человеческого мозга представляет собой высокоэффективную комплексную систему с параллельной обработкой информации. Она способна организовать (настрорить) нейроны таким образом, чтобы реализовывать восприятие образа, его распознавание во много раз быстрее, чем эти задачи будут решены самыми современными компьютерами. Так распознавание знакомого лица происходит в мозге человека за 100-120 мс, в то время как компьютеру для этого необходимы минуты и даже часы.
Сегодня, как и 40 лет назад, не подвергается сомнению то, что мозг человека работает принципиально иным образом и более эффективно, чем любая вычислительная машина, созданная человеком. Именно этот факт в течение ряда лет побуждает и направляет работы ученых по созданию и исследованию искусственных нейронных сетей.
К первым попыткам раскрыть секреты анатомической организации мозга можно отнести исследования Сантьяго Рамон-и-Кахаля (1911). Применив метод окраски нейронов солями серебра, разработанный ранее Камилло Гольджи (серебро избирательно проникает в нейроны, но не пропитывает другие клетки мозга), Кахаль увидел, что мозг имеет клеточную архитектуру. Кахаль описал нейроны как поляризованные клетки, которые получают сигналы сильно разветвленными отростками, получившими названия дендритов, а посылают информацию неразветвленными отростками, названными аксонами. Аксон контактирует с дендритами других нейронов через специальные образования - синапсы, которые влияют на силу импульса (см. рис. 1.1).
Рис. 1.1. Схема биологического нейрона.
Окрашивание по Гольджи позволило выявить огромное разнообразие нейронов по форме тела, разветвленности дендритной части и длине аксона. Кахаль выявил различия между клетками с короткими аксонами, взаимодействующими с соседними нейронами, и клетками с длинными аксонами, проецирующимися в другие участки мозга. Несмотря на различия в строении, все нейроны проводят информацию одинаково.
Связи между нейронами опосредуются химическими передатчиками - нейромедиаторами - выделяющимися из окончаний отростков нейронов в синапсах.
Можно считать, что при прохождении через синапс сила импульса меняется в определенное число раз, которое будем называть весом синапса. Импульсы, поступившие к нейрону одновременно по нескольким дендритам, суммируются. Если суммарный импульс превышает некоторый порог, нейрон возбуждается, формирует собственный импульс и передает его далее по аксону. Важно отметить, что веса синапсов могут изменяться со временем, а значит, меняется и поведение соответствующего нейрона.
Еще в начале века нейрофизиологам стала ясна исключительно важная роль синапсов в обучении. Действительно, сигналы мозга, проходя через них, могут в разной степени усиливаться или ослабляться. Обращает на себя внимание и такой факт. Мозг новорожденного и взрослого человека содержат примерно одинаковое количество нейронов. Но только у взрослого человека он отличается упорядоченностью межнейронных синаптических связей. По-видимому, обучение мозга и есть процесс изменения архитектуры нейронной сети, сопровождаемый настройкой синапсов.
