高技术通讯
人大脑新皮层层级神经网络模型研究 ①
年 月月 日收到 , 年 月 日修 回
刘永 昌 叶 中行 ’
北京大学视觉与听觉信息处理 国家重点开放实验室 北京
上海海运学院 上海
’上海交通大学应用数学系 上海
摘 要
提 出 了一种层级神经 网络模型 , 其基本结构特点是 下级 网络是上一级 网络的单元 ,
由神经元一局部回路 微柱 巨柱 功能 中枢 功能 中枢联结群 大脑新皮层 逐级组
织起来 。
关键词 层级神经 网络 , 功能柱 , 局部回 路
一 己 吉、
二
二
按照仿生学原则 , 神经网络研究首先要揭示脑的生理结构与工作机制 , 然后方能建立原型
数学模式及计算机仿真 技术模式 电子 、 化学 、 光学 电子结合等等 , 直至反复实验造出样机 。
本文提出一种生物层级神经网络模型 , 以期给神经计算机的研制提供新的样本和启示 。
长期以来 , 脑科学越分越细 , 在分子水平 离子通道 、 泵 、 神经递质 、 调质等 、 亚细胞水平
突触 、 细胞水平 神经元 、 胶质细胞等 、 回路与网络水平 局部回路 、 功能柱 、 核团等 、 器
官水平 功能中枢的确定 、 左右半球功能分工的研究等 、 系统水平 视觉 、 听觉系统等等 这几
个层次上都取得了大量研究成果 。 但是脑的功能是以上各个水平整体协同活动的结果 。 而现有的
原型绝少跨越两个以上的水平 。 为了更逼近真实的大脑 , 本模型综合吸收了三个以上层次的研究
成果 , 试图深入一步地探讨大脑新皮层的组织结构 。
二 、 人大脑新皮层层级神经网络模型
根据神经科学的有关研究成果推测 , 大脑新皮层是由不同级别的具有层级性质的神经网络所
组成 , 其基本结构特别是 , 下级网络是上一级网络的单元 , 由神经元 局部回路 微柱 巨柱
功能中枢 功能中枢联结群 大脑新皮层 逐级且有规则地组织起来
。 图 和表 给出了人大脑
新皮层层级神经网络模型的构思和基本内容
。
三 、 分析与讨论
早在 年代 。 就发现 , 大脑皮层不但在水平方向分为六层 , 而且在皮层的整个厚
度 内 , 神经元呈垂直链形排列
。
年 , 在猫 的运动皮层 中发现 有柱形结构 , 之后
“ 、 和 以及 等相继分别在猫的体感皮层 、 猫与猴的视觉皮层及猫的
① 攀登计划和国家 自然科学基金资助项 目
一 一
刘永昌等 人大脑新皮层层级神经网络模型研究
初级听觉皮层 中发现有柱形结构 。 年 , 等报道了大规模的实验
。 他们调查了
暇 鼠 、 家鼠 、 猫二称猴以及人的大脑新皮层 区 初级视皮层 , 在枕叶 , 、 、 区 体感皮层 ,
在 顶叶 , 区 运动皮层 , 也在顶 叶 , 区 听联合皮层 , 在颖叶 , 区 联合皮层 , 在顶
叶 , 区 联合皮层 , 在额叶 , 发现各区均有柱状结构 。 他们计算了直径为 , 贯穿皮层
整个厚度的一个柱状空间 相当于微柱 里的神经元数 目 , 发现各种动物脑的体积不一 , 皮层各
个区的厚度也有较大的区别 。 但是除了灵长类 包括人 的视皮层 区因能接受双侧视网膜投射
而微柱内的神经元数为 以外 , 以上哺乳动物新皮层各区微柱里的神经元绝对数字都在 左
右 , 变异不超过 。 由此我们可以确信 , 无论是人大脑新皮层输入端的视听 、 体感皮层及输出
端的运动皮层 , 还是联合区皮层 , 它们均有微柱结构
。 一般的测算 , 整个人大脑新皮层约有
个微柱 。
悦 ‘倪 运动疾挽 一 , 策一吸网峪
听 或狡
第二吸月络
咬 东旋
体感爪挽
, 三暇网偏
第四吸两络
策五吸网络
图 大脑皮层层级神经网络示意图
表 人大脑新皮层层级神经网络模型的墓本内容
第二级神级网络 第三级神经网络 第四级神经网络 第五级神经网络
功能性质
单元
单元数
插入单元
第一级神经网络
功能中枢联结群
功能中枢
位于视觉 、 听觉
、
感觉
皮层的功能中枢
功能中枢
巨柱
月
巨柱
微柱
局部回路
神经元
不分 不分 颗粒细胞
隐蔽单元 联合区的功能中枢 不分 不分
加 细胞
刘 水平细胞等
拍出单元
拓扑结构
位于运动皮质
的功能中枢
从箱出层到输入层
有反馈的阶层式
不分 不分 锥体细胞
相互结合式等
没有明显的层次
相互结合式等
没有明显的层次
辐散式 、 聚合式
链锁式 、 环式等
工作范围 整个大脑新皮层
皮层内总数
一 月
一 直径
高
微柱
局部回路
左右
不分
不分
不分
相互结合式等
没有明显的层次
直径
高
约
约
只 刁 约 又
实验还证 明 , 很多微柱同时对一种功能作出响应 , 相互联结形成更大一级的单位 。
与 等 称其为模 , 即等同于 研究命名的
一 一
高技术通讯
巨柱 。 经测算 , 巨柱的直径为 一 , 高为 一
。 研究表明 , 人大脑
新皮层 内有 个巨柱 , 每个巨柱 内的神经元多达 只 创 左右 。
不久又发现然微柱 内存在着更小的结构与机能单位 —局部 回路
。 这种局部回
路由少量神经元联结组成 , 回路里的神经元在机能上有紧密的联系 。 据研究 , 大脑新皮层的各个
区域都有典型的局部 回路 。
以上神经生理研究报道给脑科学工作者一个强烈的印象
。 的看法是 , 细胞集合
成为上述功能单位 , 可能是脊椎动物神经系统的一般特征 。 他解释说 , 神经元在脑内都会有正常
的 自发放电现象 , 这种现象与一般生理活动所引起的刺激无关 。 然而要产生一个有意义的信息处
理过程 , 必定会有很多神经元同时作出反应 。 从某种角度来看 , 如同 “ 齐声应答 ” 方能得出值得
注意的信号 。 上述实验及分析是本文第二 、 三 、 四 、 五级神经网络存在的根据 。 考虑到局部回路
之 间 , 以及垂直并列在大脑新皮层里的微柱与微柱 、 巨柱与巨柱之间 , 通过神经元侧枝跨回路
、 跨
柱的信息传递 , 第二 、 三 、 四级网络的拓扑结构被定为 “相互结合式 ”
。 由于大脑新皮层对边缘系
统及皮层下核团通过兴奋与抑制来控制选择性进行信息处理 , 这些级别的神经网络的拓扑结构可
能还有其它未明的种类 。
以 巨柱为单元组成的功能中枢被列为第二级网络 , 依据的是延伸的大脑机能结构原理 —如果执行共同功能的细胞聚集在一起 , 那么功能中枢可能由执行共同功能的巨柱所组成 。 换言之 , 既
然存在着神经元组成局部回路 , 局部回路组成微柱 , 微柱组成巨柱的层级规律 , 那么也就可以推
测协同工作的巨柱组成了功能中枢 。
根据大脑新皮层各个部位神经细胞形态和排列的不同以及功能性质 , 它被分成 个亚区 , 这
些亚区也即执行一定功能的中枢 。功能中枢通过神经纤维和神经纤维束组成左右半球大脑皮层 , 被
本文推认为第一级神经网络 。
大脑新皮层被划分为感觉区
、 联合区
、 运动区 , 我们把它们推认为网络的输入层
、 隐蔽层及
输出层 。 由于人在运动 、 说话
、 朗读 、 书写时可以通过视 、 听觉 、 体感等系统监督调节的活动 , 所
以第一级网络的拓扑结构被定为 “ 从输出层到输入层有反馈的阶层式 ” 。
四 、 结束语
现有的神经计算机 , 绝大部分不过是在传统的 数字机上执行神经网络的算法 ,
所以被称为虚拟式的 。 整个硬件都用人工神经元 , 按生物神经系统的结构配置的神经计算机至今
尚处于研制阶段 。 “ 时至今 日 , 我们都是将计算机 传统数字式的 作为理解人脑的模型 , 现在可
能是颠倒过来的时候了 —从人脑结构中获得一些建造计算机的线索
” , 。
年 , 提出了人工的五层分形神经网络模型 。 甘强 、 韦任 建立了一种局部
联结的多层神经网络 。 焦李成 认为多层级的分形神经网络具有较强的容错能力 、 局部稳
定性以及较强的信息处理能力 , 并且是适用于 实现的神经网络模型结构之一
。 一些实验室正
在试制硬件的层级神经网络 。 本文把神经网络这种近似 “ 白箱 ” 的方法推广到以局部回路 、 微柱 、
巨柱 、 功能中枢作为单元来进行研究 , 较为具体地描述了大脑新皮层的组织结构 。 这可能给
新型的神经计算机带来启发 。
参考文献
〔〕甘强 , 韦任 中国神经网络首届学术大会
集 ,
一 一
刘永昌等 人大脑新皮层层级神经网络模型研究
【 〕焦李成 神经网络系统理论 , 西安电子科技出版社 ,
绍忍召 了、”习 习对‘ , ,
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二无以洲‘ 入 扩。内戚劝男 , ,
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王 芷