第三讲脑与认知科学基础.docx

《第三讲脑与认知科学基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三讲脑与认知科学基础.docx（3页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、第三讲脑与认知科学基础教学内容：本章主要学习脑神经系统、大脑神经元结构与功能、脑的视觉、记忆与信息处理机制、脑功能新发现等内容。教学重点：脑神经系统、大脑神经元结构与功能。教学难点：脑的视觉、记忆与信息处理机制。教学方法：课堂教学为主,结合智慧树等在线平台实时提问、收集学生学习情况，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示脑的组成、结构。讨论五分钟。课后布置作业，要求学生查找、阅读与脑科学研究有关的报导、论文等。教学要求：重点掌握大脑多极神经元结构及神经系统组成；了解脑的视觉与记忆机制，大脑认知地图的发现。课程思政内容：大脑是人类智能产生的主要生物学意义上的载体。认识、理解大脑的基本功能，了解脑和

2、认知科学最新进展，对于认识和了解人类自身，理解智能产生的源泉，揭示智能的奥秘,发展更先进的人工智能技术具有重要意义。学习目标：1 .理解认识脑的复杂结构和功能以及神经系统的基本组成与功能。2 .理解脑、神经与身体以及意识、心智、智能等之间的关系3 .理解人脑与电脑的联系与区别，脑与神经科学对人工智能的启发性作用。学习导言2000年诺贝尔生理学或医学奖得主之一埃里克坎德尔（EriCKandeD认为：“人类改变自身脑功能的能力，可能会像铁器时代冶金术的发展那样，彻底改变历史的面貌。”真正认识人类大脑是开发类人智能机器的必由之路。人类大脑是一部极其高效的“计算机”，其特征与优势包括：通过与外界交互自

3、主学习（无须显式编程）、高度容错（容忍大量神经元的死亡而不影响其基本功能）、高度并行性（约10个神经元）、高度连接性（约1015个突触）、低运算频率（约lOOHz）、低通信速度（每秒钟几米）、低功耗（约20瓦）。以20岁时为例，男性脑部的神经轴突（与神经细胞相连的细长部分，用来进行神经信号传递）总长度为17.6万千米，约为月球距近地点距离的一半，女性约为14.9万千米。人脑神经信号回路比今天全世界的电话网络还要复杂1400多倍。每一秒钟，人脑中进行着10万种不同的化学反应，反应环境、反应速度及反应产物控制都十分精确，出错率极低，各种反应间相互关联、配合默契。人脑每天可处理8600万条信息，大脑

4、记忆中枢可储存的信息量相当于美国国会图书馆的50倍，即5亿本书的知识，并且正常情况下这些信息可有序调用（回忆）.人脑体积虽小，内部结构复杂得难以描述，神经元及其组成得网络及神经网络的结构、大脑结构、神经元个体的活动究竟与智能形成有什么关系？本章并不能完全回答这些问题，但通过有关知识的学习，使得我们可以形成人脑智能生成机制与创造人工智能尤其是强人工智能之间关系的初步认识。3.1大脑的初步认识大脑是自然进化出来的最为精巧的生命管理系统。对于人类这样的高级生命，大脑是生命体中生成智能的核心器官和组织。关于大脑的组成和功能，相对于智能本身而言，还是比较清楚的。20世纪50年代，美国加利福尼亚技术研究院

5、的教授、著名生物学家斯佩里对裂脑人进行了实验研究，即对严重癫痫病人切断两半球之间的神经联系，使其成为相对独立的半脑半球。研究结果发现，各自独立的脑半球有其自己的意识流，在同一个头脑中两种独立意识平行存在，它们有各自的感觉、知觉、认知、学习以及记忆等功能。也就是说，左脑同样具有右脑的功能，右脑也同样具有左脑的功能，只是各有分工和侧重点不同而已。3.2脑神经系统1、脑神经组织与突触可塑性20世纪40年代,加拿大心理学家唐纳德斯布提出了关于突触可塑性的著名推测，即“那些共同激发的神经元将会连接在一起。也就是说，如果神经元A和B是在大致相同的时间激发峰电位，那么他们之间的突触强度会增加。一些研究人员基

6、于赫布的观点，提出了一种叫做“峰电位时间相关的突触可塑性（STDP）”的机制，即突触强度可以根据突触前和突触后的峰电位时间相关性而改变，如果神经元A恰好在神经元B激发前激发，那么神经元A将加强其到神经元B的连接；如果激发顺序是相反的，则连接强度会减弱。由于突触在神经元的连接节点处的调控（可调节的权值），神经元接收到的信号强弱不同。2、神经元的连接和信息传递每一个神经元都由细胞体（中央主体部分）、树突（分布在细胞体的外周）和轴突（细胞体伸出的主轴）构成。细胞体是神经元的代谢中心，它本身又由细胞核、内质网和高尔基体构成。细胞体的外周一般生长有许多树状突起，称为“树突”，它们是神经元的主要接受器。细

7、胞体还延伸出一条主要的管状纤维组织，称为“轴突”，在轴突的外面，可能包有一层厚的绝缘组织，称为髓鞘。轴突的主要作用是在神经元之间传导信息，传导信息的方向是由轴突的起点（细胞体）传向它的末端。通常，在轴突的末端会分出许多末梢，这些末梢同其后的神经元的树突（或细胞体，或轴突）构成一种称为突触的机构。3、大脑皮层的分区与地图大脑皮层在学习记忆、语言思考以及知觉、意识等高级功能方面发挥着至关重要的作用，越是高等的生物，其皮层的结构和功能越是发达。大脑皮层组织形态呈多尺度特性，皮层包括在水平运行的层次、垂直方向上集成的具有延伸深度的功能柱和由数百万柱体组成的大型功能区域,最终形成由多个紧密连接的区域所构

8、成的网络。神经元通过灰质实现局部连接,与此同时，通过远距离的白质连接，皮层能将信号传递到远端的皮层区域或皮层下目标。3. 3脑的视觉与信息处理机制1962年，科学家提出了“感受野”的概念，视觉信息从视网膜传递到大脑中是通过多个层次的“感受野”激发完成的，并进一步发现了视皮层通路中对于信息的分层处理机制，获得了1981年的诺贝尔生理学和医学奖。1984年，日本学者福岛邦彦基于感受野概念提出了卷积神经网络的原始模型神经认知机(NeOCognitrOn),神经认知机是将一个视觉模式分解成许多子模式，通过逐层阶梯式相连的特征平面对这些子模式特征进行处理，使得即使在目标对象产生微小畸变的情况下，模型也具

9、有很好的识别能力。这是第一个基于神经元之间的局部连接性和层次结构组织的人工神经网络，启发了后来卷积神经网络以及深度卷积神经网络的实现。3.4 脑的记忆与信息处理机制记忆是人脑对过去发生过的事物的反映，是心理在时间上的持续，有了记忆，先后的经验才能联系起来。记忆是学习和形成人类智能的重要基础。人的大脑能够把输入或经过加工的信息存储起来，在需要时再把这些储存的信息取出，因此记忆包括存储和提取两个阶段，通过两条截然不同的神经环路实现对一个事件的记忆是在大脑负责长时记忆(long-termmemory)和短时记忆(short-termmemory)的不同脑区同时形成的。自20世纪以来，科学家一直认为记

10、忆存储在由突触连接的友杂的神经元网络里，人工智能专家通过模仿神经网络来实现机器的学习能力。最新研究显示，记忆的物质形式深藏在神经元的中心一细胞核里，它们是一些与表观遗传相关的分子，这个发现彻底颠覆了原先的理论。近年，神经表观遗传学己逐步揭示了记忆的分子性质，实际上是这些表观遗传分子将记忆忠实地印刻在神经元里，这称为“表观遗传记忆”。3.5 脑的学习机制1983年，西蒙对学习下了一个较好的定义：系统为了适应环境而产生的某种长远变化，这种变化使得系统能够更有成效地在下一次完成同一或同类的工作。人类的学习实际上启发了人工智能的重要研究方向-机器学习的诞生，但机器学习与人类学习完全不同，其学习和记忆能

11、力在某些方面可以超过人类，比如在围棋、游戏等方面表现出超乎人类的学习能力，但机器学习与人类学习相比还有很大差距，比如内容理解能力，以及基于很少的信息就可以获得某个学习对象的全面认识，这些是人类固有的智能。机器学习还必须依赖人类的经验和帮助。开发更强大的机器学习系统，还需要更深入理解人类的学习机制。3.6 脑功能新发现大脑认知地图，简单的说，就是关于人类大脑是如何为人类在行进过程中辨别和选择方向并选择合适的路线，最终完成导航的。在这项机制发现之前，人类大脑如何具有导航功能一直是一个谜团。2008年，莫泽夫妇在大脑的内嗅皮层发现了一种神经细胞。每当大鼠靠近一堵墙、空间边界或是任何障碍物时，这种细胞就会被激活，故此得名：“边界细胞(避障)。边界细胞可以计算出大鼠与边界的距离(相当于激光雷达)，然后，网格细胞可以利用这一信息，估算大鼠己经走了多远的距离，所以在之后的任意时间，大鼠可以明确知道自己周围哪里有边界，这些边界距离自己又有多远。2015年，他们又发现了反映了动物的运动速度的“速度细胞”，并且不受动物所处位置和方向的影响。现在我们已经知道，内嗅皮层里的多种细胞，如网格细胞、头部方向细胞、边界细胞、速度细胞等，它们各司其职，会将各种信息传递到海马体的位置细胞加以整合，让动物知道自己从哪里来，身在何处，又去向何方。