Υπολογιστικές Νευροεπιστήμες

2020-11-11

Μοντέλα και Προσομοίωση Διεργασιών στον Νευρώνα, το Νευρωνικό Δίκτυο και τον Ανθρώπινο Εγκέφαλο

Αντί Προλόγου.

Computational neuroscience is an approach to understanding the information content of neural signals by modeling the nervous system at many different structural scales, including the biophysical, the circuit, and the systems levels. Computer simulations of neurons and neural networks are complementary to traditional techniques in neuroscience.

T.J. Sejnowski & T.A. Poggio

Here I must refer to the previous Waynflete Lectures given by Professor E.D. Adrian, on The Physical Background of Perception, because the results of physiological investigations seem to me in perfect agreement with my suggestion about the meaning of reality in physics. The messages, which the brain receives, have not the least similarity with the stimuli. They consist of pulses of given intensities and frequencies, characteristic for the transmitting nerve-fiber, which ends at a definite place of the cortex. All the brain learns is a distribution or map of pulses. From this information it produces the image of the world by a process, which can metaphorically be called a consummate piece of combinatorial mathematics: it sorts out of the maze of indifferent and varying signals invariant shapes and relations which form the world of ordinary experience.

M.Born (1949)

Μέσα από τις σημειώσεις αυτές ευελπιστώ να λάβετε μια αντιπροσωπευτική εικόνα της λειτουργίας νευρωνικού δικτύου που έχουν σαν κύριο συστατικό το μέγεθος της συχνότητας εκφορτίσεων των νευρώνων από τους οποίους απαρτίζεται. Η προσέγγιση ισομερίζεται σε μηχανιστική και βιολογική. Είναι το σημείο εκκίνησης και όχι τερματισμού. Είναι, πιστεύω, ένας καλός οδηγός να ξεπεραστούν κάποια αρχικά εμπόδια για τα οποία ο ίδιος δαπάνησα πολύ χρόνο. Τα πάντα στην επιστήμη παραμένουν ανοικτά άλλωστε:

The goal of science is not to open the door to everlasting wisdom, but to set a limit on everlasting error (Galileo, in Galileo, by Bertolt Brecht).

Σωκράτης Σκλάβος 

  • Εισαγωγή

Ιστορική αναδρομή

Ο John Locke, ένθερμος υποστηρικτής της εκπαίδευσης στη μάθηση ανωτέρων λειτουργικών διαδικασιών, φανταζόταν τον εγκέφαλο των έμβιων όντων σαν άγραφο πίνακα πάνω στον οποίο γράφονταν οι εμπειρίες. Δεχόταν ότι το μυαλό είναι ανειδίκευτο και άδειο από κάθε προηγούμενη δομή: Εγκέφαλος = Tabula Rasa.

O Niels Jerne (1968), έφερε στο φως τις θέσεις του Σωκράτη περί εγκεφάλου: Η μάθηση συνίσταται στην ανάμνηση αυτών που υπάρχουν ήδη στο νου.

Οι ανώτερης τάξης διαδικασίες, ή αλλιώς τοποειδικοί δαρβινικοί αλγόριθμοι αναφέρονται στην εξελικτική πίεση που με τον τρόπο που ασκήθηκε, προίκισε τα έμβια όντα με εξειδικευμένα εγκεφαλικά κυκλώματα.

Από τον Luigi Galvani (18ς α.μ.Χ) η αρχή της Νευροφυσιολογίας: Τα νευρικά κύτταρα παράγουν ηλεκτρισμό. στον Mumford (20ς α.μ.Χ): Το σύστημα διακίνησης πολλαπλών σημάτων στο νευρικό σύστημα είναι ο ορισμός της ζωής.

Emile Dubois - Reymond & Hermann von Helmoltz (18ος α.μ.Χ.) : Τα νευρικά κύτταρα έχουν ηλεκτρικές ιδιότητες που τις χρησιμοποιούν για να διαβιβάζουν πληροφορία.

Raymon y Cajal (1911): Έδειξε εκτεταμένες διασυνδέσεις νευρικών κυττάρων στον εγκεφαλικό φλοιό και τα χαρακτήρισε ως χρονικούς επεξεργαστές πληροφορίας (temporal information processing of neurons).

Το πρώτο νευρωνικό μοντέλο (McCulloch & Pitts, 1943):

y είναι η έξοδος του νευρώνα, x η είσοδος σε αυτόν και Τ ο ουδός διέγερσης,

Η γέννηση των τεχνητών νευρωνικών μοντέλων (artificial neural models) πηγάζει από τον ανάγκη προσομοίωσης της τροποποίησης της πληροφορίας σε τοπικούς κυτταρικούς μηχανισμούς έμβιων όντων.

Μαθησιακοί αλγόριθμοι εγκαινιάζουν μια ειδική σχέση μεταξύ Ιατροβιολογίας και Μηχανικής: Τα δίκτυα καθοδηγούνται από νόμους της Βιολογίας.

Hebb (1949): Η συναπτική συνδεσμολογία ζεύγους κυττάρων σχετίζεται με το βαθμό ομοιότητας του μηχανισμού απόκρισης αυτών.

Rosenblatt (1957): Εισαγωγή της θεμελιώδους μονάδας του δικτύου: perceptron.

Ιατροβιολογία vs Μηχανική: Kύτταρο vs Perceptron. Δεν πρόκειται για ανταγωνιστικά αλλά για συνεργατικά πεδία. Εξακολουθεί και καταγράφεται η παράλληλη πρόοδός τους.

Βασική Συστημική Θεωρία