マインドマップギャラリー 大腦神經元運作原理
神經元是大腦中的基本單元,它們透過電化學訊號處理和傳遞訊息。人工神經網路(ANNs)受到生物神經元的啟發,試圖模擬大腦的訊息處理方式。這是神經元工作原理的詳細描述,以及與人工神經網路的深入關聯。
大腦產生視覺的詳細過程
大腦神經元運作原理
神經元的基本結構
胞體(Soma):神經元的核心部分,包含細胞核和細胞器,是細胞的代謝和遺傳控制中心。
樹突(Dendrites):從胞體延伸出的分支結構,表面佈滿突觸,主要負責接收其他神經元的訊號。
軸突(Axon):從胞體延伸出的細長纖維,負責將電訊號傳遞到其他神經元或肌肉細胞。
突觸(Synapse):神經元之間的連接點,由突觸前膜(發送神經元的軸突末梢)、突觸間隙(兩個神經元之間的微小空間)和突觸後膜(接收神經元的樹突或胞體)組成。
神經元的電訊號傳遞
靜止電位:神經元在未受刺激時,細胞膜內外存在電位差,通常為負值(約-70毫伏),主要由鉀離子的外流維持。
動作電位:當樹突接收到足夠強度的興奮性訊號時,鈉離子通道打開,鈉離子內流,導致膜電位上升至閾值(約-55毫伏),觸發動作電位。
電傳導:動作電位沿著軸突傳播,速度可達每秒數十米到幾百米,由軸突的髓鞘絕緣和離子通道的順序活化決定。
神經元的化學訊號傳遞
神經傳導物質釋放:當動作電位到達軸突末梢時,導致鈣離子進入細胞,引發突觸小泡與突觸前膜融合,釋放神經傳導物質到突觸間隙。
突觸間隙:神經傳導物質透過突觸間隙擴散到突觸後膜,這個過程非常迅速,通常在毫秒等級。
受體結合:神經傳導物質與突觸後膜上的特定受體結合,導致離子通道打開或關閉,改變膜電位,產生興奮性或抑制性突觸後電位。
訊號整合:突觸後神經元的樹突上可能接收來自多個軸突的訊號,這些訊號在胞體處整合,決定是否達到閾值產生新的動作電位。
突觸可塑性與學習
長時程增強(LTP):透過重複的興奮性刺激,突觸傳遞效率增強,這是學習和記憶的關鍵機制之一。 LTP涉及突觸後膜受體數量的增加、受體敏感性的提高以及突觸前膜釋放神經傳導物質的效率提升。
長時程抑制(LTD):透過重複的抑制性刺激,突觸傳遞效率減弱,與LTP相反。 LTD涉及突觸後膜受體數量的減少或敏感性的降低。
突觸修剪:在發育過程中,不活躍的突觸被消除,而活躍的突觸得到加強,這是大腦適應環境變化的一種方式。突觸修剪有助於優化神經網路的結構,提高訊息處理的效率。
人工神經網路與神經元的深入關聯
神經元模型:ANNs(人工神經網路)中的人工神經元通常包含輸入(樹突)、權重(突觸的強度)、活化函數(模擬神經傳導物質的作用)和輸出(軸突末梢)。
權重更新:在ANNs中,權重透過學習演算法(如反向傳播)進行調整,以最小化預測誤差,類似於突觸可塑性。權重更新的目的是增強網路對輸入資料的辨識能力。
活化函數:ANNs中的活化函數模擬神經元的非線性反應,例如ReLU(Rectified Linear Unit)或Sigmoid函數,它們決定了神經元是否「活化」並傳遞訊號。激活函數的選擇對網路的學習能力和表現有重要影響。
網路結構:ANNs可以有多層神經元,形成複雜的網路結構,類似大腦中神經元的層次化組織。深度學習網絡,如卷積神經網路(CNNs)和循環神經網路(RNNs),模擬了大腦中不同層次的資訊處理和時間序列處理。
神經元是大腦中的基本單元,它們透過電化學訊號處理和傳遞訊息。人工神經網路(ANNs)受到生物神經元的啟發,試圖模擬大腦的訊息處理方式。