人脑神经元与人工神经元模型比较

1.人脑神经元

人脑约由1011个神经单元（neuro）组成，神经元之间的联系多过1014～1015。神经元的结构如图8.1.1所示。

图8.1.1　神经元的结构

每个神经元由两部分构成：神经细胞体及突起（树突和轴突）。细胞体的直径从5～100μm不等。各神经细胞发出的突起数目、长短、分支各不相同。

（1）细胞体（soma）。由细胞核（nucleus）、细胞质（cytoplasm）和细胞膜（membrane）组成。细胞膜厚5～10 nm，它有选择性的通透性，使细胞膜的内外液的成分保持差别，形成膜内外的电位差，称为膜电位，其大小受细胞体输入信号强弱而变化，一般在20～100 mV之间。

（2）树突（dendrite）。由细胞体向外伸出许多树枝状较短的突起，长1 mm左右。它用于接受周围其他神经细胞传入的神经冲动。

（3）轴突（axon）。它是细胞体向外伸出的最长的一条神经纤维，每个神经元只有一个轴突，其长度从数厘米到1 m。远离细胞体一侧的轴突端部有许多分支，称为轴突神经末梢，其上有许多突触扣结。轴突通过轴突末梢向其神经元传出神经冲动。

（4）突触（synapse）。神经元之间传递信息的结构称为突触。它是一个神经元的轴突末梢和另一个神经元的树突或细胞体之间形成的联结（图中未画出）。突触的直径为0.5～2 nm。突触由突触前部、突触间隙和突触后部三部分构成。突触间隙的宽度为10～50 nm。一个神经元的树突，通过突触从其他神经元接收信号。突触有兴奋型和抑制型两种形式，当传入的神经冲动，通过突触使膜电位开高到阈值（约50 mV）时，神经细胞进入兴奋状态，产生神经冲动，由轴突输出。相反，若传入的神经冲动，使膜电位下降到低于阈值时，神经细胞进入抑制状态，没有神经冲动输出。一个神经元有103～104个突触，人脑中约有1014个突触，神经细胞之间通过突触复杂地结合着，形成了大脑复杂的神经网络系统。

2.人工神经元模型

人工神经元是一个多输入，单输出的非线性元件，如图8.1.2所示。

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图8.1.2　人工神经元模型

人工神经元的输入、输出关系可描述为

式中：xi（i=1，2，…，n）是从其他神经元传来的输入信号；θj是阈值；Wij是表示从神经元i到神经元j的连接权值；f（·）为传递函数。

有时为了方便，将Xj统一表达成

式中：W0j=-θj，x0=1。

传递函数f（x）可为线性函数，或S状的非线性函数，或具有任意阶导数的非线性函数。常用的非线性传递函数形式如表8.1.1所示。

表8.1.1　神经元模型中常用的非线性传递函数

当f（x）为阶跃函数，且不考虑输入、输出之间的延时，只处理0和1二值信息时，这种阈值单元模型称为MP模型，是美国心理学家McCulloch和数学家Pitts在1943年提出的。