核心期刊论文发表浅析神经网络与高级思维
发布时间：2014-12-13
摘要：本文从生物神经元的角度简单阐述了人脑高级思维的形成机制。通过对反射、认知、创造等概念的重新定义，全面的解析人脑的工作原理，以及在这一运行机制下对于外界所反应出来的相关现象。
关键词：反射 认知 创造 神经网络 人工智能
一、 生物神经网络系统生物神经系统是以神经元为基本单位，神经元的外部形态各异，但基本功能相同，在处于静息状态时(无刺激传导)，神经细胞膜处于极化状态，膜内的电压低于膜外电压，当膜的某处受到的刺激足够强时，刺激处会在极短的时间内出现去极化、反极化(膜内的电压高于膜外电压)、复极化的过程，当刺激部位处于反极化状态时，邻近未受刺激的部位仍处于极化状态，两着之间就会形成局部电流，这个局部电流又会刺激没有去极化的细胞膜使之去极化等等，这样不断的重复这一过程，将动作电位传播开去，一直到神经末梢。
神经元与神经元之间的信息传递是通过突触相联系的，前一个神经元的轴突末梢作用于下一个神经元的胞体、树突或轴突等处组成突触。不同神经元的轴突末梢可以释放不同的化学递质，这些递质在与后膜受体结合时，有的能引起后膜去极化，当去极化足够大时就形成了动作电位;也有的能引起后膜极化增强，即超极化，阻碍动作电位的形成，能释放这种递质的神经元被称为抑制神经元。此外，有的神经元之间可以直接通过突触间隙直接进行电位传递，称为电突触。还有的因树突膜上电压门控式钠通道很少，树突上的兴奋或抑制活动是以电紧张性形式扩布的，这种扩布是具有衰减性的。
一个神经元可以通过轴突作用于成千上万的神经元，也可以通过树突从成千上万的神经元接受信息，当多个突触作用在神经元上面时，有的能引起去极化，有的能引起超极化，神经元的冲动，即能否产生动作电位，取决于全部突触的去极化与超级化作用之后，膜的电位的总和以及自身的阈值。
神经纤维的电传导速度因神经元的种类、形态、髓鞘有无等因素的不同而存在很大差异，大致从0.3m/s到100m/s不等。在神经元与神经元之间的信息交换速度也因突触种类或神经递质的不同而存在着不同的突触延搁，突触传递信息的功能有快有慢，快突触传递以毫秒为单位计算，主要控制一些即时的反应;慢突触传递可长达以秒为单位来进行，甚至以小时，日为单位计算，它主要和人的学习，记忆以及精神病的产生有关系。
2000年诺贝尔生理学或医学奖授予了瑞典哥德堡大学77岁的阿维·卡尔松、美国洛克菲勒大学74岁的保罗·格林加德以及出生于奥地利的美国哥伦比亚大学70岁的埃里克·坎德尔，以表彰他们发现了慢突触传递这样一种“神经细胞间的信号转导形式”。本次获奖者的主要贡献在于揭示“慢突触传递”，在此之前，“快突触传递”已经得过诺贝尔奖。此外，使用频繁的突触联系会变得更紧密，即突触的特点之一是用进废退，高频刺激突触前神经元后，在突触后神经元上纪录到的电位会增大，而且会维持相当长的时间。所以可以得出一条由若干不定种类的神经元排列构成的信息传导链对信息的传导速度会存在很大的弹性空间，这一点对神经系统认知事件有着非常重要的意义。神经系统按功能可大致分为传入神经(感觉神经)、中间神经(脑：延脑、脑桥、小脑、中脑、间脑、大脑脊髓)与传出神经(运动神经)三类。
生物要适应外界环境的变化，就必须能够感受到这种变化，才能做出反应。生物的感受器多种多样，有的是单单感觉神经元的神经末梢;有的是感受器细胞;还有的感受器除了感受细胞外还增加了附属装置，且附属装置还很复杂，形成特殊的感觉器官。无论感受器的复杂程度如何，它在整个神经系统中都起着信息采集的作用，它将外界物理的或化学的动态信号反应在感觉神经细胞膜的电位变化上，膜上的电位变化可形成动作电位向远端传导。中间神经在系统中起着计算及信息传导的作用，通常感觉神经传来的动作电位经过若干个中间神经元的计算响应后在传递到传出神经形成反射弧，但也有的反射弧仅由传入神经元与传出神经元直接组成，如敲击股四头肌引起的膝反射。传出神经可分为躯体神经与内脏神经两类，它们都最终连接着效应器，只是内脏神经需要通过一个神经节来连接效应器，最后由效应器调空肌体器官做出相应的反应。
二、 生物神经网络的建立
1994年，一种被称为 Netrin-1、将轴突吸引到分泌它的神经细胞的可扩散蛋白被发现, 此后人们发现，同一轴突引导分子既可吸引、也可排斥前来的轴突。其中，环状AMP(也称cAMP)、环状GMP(也称cGMP)和钙离子，都可能是从参与将发育中的神经元引导到其目标上的受体中转导信号的第二种信使。新的实验表明，正是cAMP/cGMP的比例决定着Netrin-1是起一种吸引信号的作用还是起一种排斥信号的作用，这些环状核苷通过控制轴突生长锥中的L-型钙通道来起作用。目前已经发现大量对神经轴突生长具有导向作用的分子，这些分子可以分为两大类：一类分子固着在细胞膜表面或细胞外基质中，影响局部的神经纤维生长，这类因子包括ephrin, MAG (myelin-associated glycoprotein), Nogo等;另一类是分泌性分子，能扩散一定的距离并形成浓度梯度起作用，如netrin, slit, semaphorin 家族的大多数成员, 及各种神经营养因子等。
神经轴突的前端有生长锥(growth cone)的结构起到对环境信号的探测作用。神经生长锥表面存在各种导向因子的受体，它们特异地识别环境中各种因子，并向细胞内传递吸引(attractive)或是排斥(repulsive) 的信号，从而通过调节生长锥内的细胞骨架的重组来引导神经纤维沿特定路线生长(我国科学家袁小兵等研究人员发现，在脊髓神经元上，神经细胞内RHOA酶和CDC酶直接传递外界方向信号，引导神经生长方向，同时这两种酶相互作用，对生长方向进行细致的调节)。未成熟神经细胞柔弱的轴突在这些信号的引导下，试探地穿行于正处于发育阶段、仍是一片纷乱的大脑之中，最终抵达适当的目的地。一旦轴突的末端找到了其正确的栖息地，它就开始与周围神经元建立尽可能广泛的突触联系，以便传导信息。脊椎动物出生后早期发育中的一个特征是，神经键(或神经连接)的消除。最初，一个神经肌肉连接被多个轴突支配，然后所有轴突都退出，只剩下一个，对相互竞争的神经元来说，决定胜负的是它们的相对活性。为了能准确的连接到目的地，单个或多个神经元会沿导向分子所确定的大致方向上生长出若干条神经纤维，其中总会有能正确连接到目的地的神经纤维，所建立的若干神经链路在刺激信号的作用下，正确的信息传递会使链接会变的更加稳固，反之则慢慢萎缩分离。打个比方讲：两个城市间原本没有路，如果要修的话会先派人去探索出若干条路，最后去修筑被优选出来的路，而其他的则会被遗弃。
三、 神经网络的基本工作原理
1、 反射自然界中，事物的发展、能量的转化、信息的传递等等各种的自然现象都包含着因果关系，只要时间没有停滞，这种关系将广泛存在，从“因”到“果”，贯穿着事物的发展过程，当过程长且复杂时我们称之为“事件”，反之则称之为“触发”。生物个体在与外界环境或是个体自身进行物质或信息交换时，也存在着这种现象，在这里我们称之为“反射”。
反射是最基本的神经活动，现行的说法是将反射分为两种，无条件反射和条件反射，其中，无条件反射是动物和人生下来就具有的，即遗传下来的对外部生活条件特有的稳定的反应方式，在心理发展的早期阶段，这种反应方式提供最基本的生存技能，也就是本能，如：食物反射、防御反射、定向反射，还有一些可能是在人类进化过程中，曾经有一定生物适应意义的无条件反射，如：巴宾斯基反射、抓握反射、惊跳反射(又叫摩罗反射)、游泳反射、行走反射等，此外，还有其他一些无条件反射，如眨眼反射、瞳孔反射、吞咽反射、打嗝、喷嚏等等。条件反射是后天训练出来的，著名科学家巴甫洛夫就曾对条件反射的形成、消退、自然恢复、泛化、分化以及各种抑制现象进行过相当细致、系统的实验研究，。无论是条件反射还是无条件反射，从主观上都可以看作是一种因果作用关系，即都存在着触发条件，都会导致某一结果的产生，所以无条件反射其实也属于条件反射范畴。只有在成因上，无条件反射是根据遗传信息形成的神经网络结构，而条件反射是后天在先前的网络基础上，依据外界环境继续发展完善的神经网络结构。两者之间是继承和发展的关系，但从这两个阶段所形成的神经网络功能来看，对外界的刺激都具备输入、传递、输出这一处理过程即反射过程，所以从某种意义上讲，也可以把无条件反射归类到条件反射范畴中去，或者说条件反射等同于反射。
神经系统中的条件反射具有三个要素：输入、传递、输出。其中的每一个要素既可以用单个神经元表示，也可以用一个神经群落来表示。当用少数几个神经元表示时，对应的是生物个体对局部刺激的反应，当扩展到神经群落时，对应的就可能就是对某一激发事件的处理方法了。反射中的输入，最能使我们联想到传入神经元(感觉神经元)，但在这里，它可以指单个的感觉神经元，也可以指一种感官(眼睛中的视神经群落、耳中的听觉神经中枢、皮肤中与各类感受器连接的神经群落等等)，甚至可以是大脑中某一区域内形成某一表象或是概念的神经群落。反射中的输出同样可以指传出神经元(即脊髓前角或脑干的运动神经元)，也可以指大脑中某一区域内形成某一概念或是表象的神经群落。反射中的中间传递过程是信息的加工处理的过程，可以由单个神经元、神经链路或是神经网络来承担，甚至可以直接由输入与输出的对应载体来分担。这样生物神经系统中的反射弧只是它的一个子项罢了，条件反射在主观上也对应着我们常说的“产生、经过与结果”即因果关系。
四、 神经网络的相关问题人在成长过程中，他的学习过程就是构建相应神经网络结构的过程，随着认知程度的增加，网络结构也日趋复杂，对刺激的反应过程也随之复杂化，当复杂到无法预测时，主观上就会认为反应过程是自发产生的，这是人的一种错觉。
幼年，人脑神经网络的建立过程需要大量的空闲神经元，基本雏形确定后，剩余的空闲神经元会损失大半，这样才能够给网络的发展腾出空间。余留下来的空闲神经元或是成为新建神经链路中的一部分而被确定下来;或是被用于临时搭建的某些链路;或是作为备用存在于网络的空隙当中。
青少年，神经网络属于高速建立阶段，这个阶段的神经网络可塑性极强，主要是因为针对事物的认知，即是以机械性记忆为主，对事物认知的量及内容是抽象逻辑思维建立的基础及倾向，随着量的增加抽象概括的能力会逐渐增强。中青年，事物的认知量及逻辑思维能力的配比达到了最佳程度，不光有一套较好的能与外界交互的神经网络系统，而且神经网络还保留有发展的余地，即还保留有一定的可塑性。
中年，无论是抽象事物还是具体事物，认知量已基本确定，网络的结构已日趋复杂化，在一些局部，需要修改的或是新建的神经链路对空闲神经元的需求也已日趋紧张，使得我们的认知速度逐渐减慢。老年，在许多的神经网络区域，空闲的神经元已开始满足不了认知的需求，另外因为无法认知新的事物，对外界的反应能力也开始下降，连带的相关神经区域得不到激活，神经链路的健壮性开始下降，以至于一些神经链路解体，伴随的就是认知量的下降，即健忘等等现象，并且成为一种恶性循环发展下去……。
五、 后记为了能清楚的阐述它的运行机制，同时也是为了验证这套理论，根据前面所提到的神经元的结构功能及组网方式，我通过计算机软件设计了虚拟的神经网络系统，2000年软件完成了调试，并得到了很好实验结果。
参考文献
1 《现代科学育儿答疑》(0-3岁)人民教育出版社1999年第1版
2 陈守良等，《人类生物学》，北京大学出版社，2001年12月
3 陈阅增等(1997).《普通生物学》.北京：高等教育出版社
4 苏珊·格林菲尔德，《人脑之谜》 杨雄里 等译
5 陈宜张 《分子神经生物学》 人民军医出版社 1997年2月
6 伊·普里戈金、伊·斯唐热著、曾庆宏、沈小峰译《从混沌到有序》，上海译文出版社1987年版。
7 钱学森主编：《关于思维科学》，上海人民出版社，1986年7月 8 路德维希·冯·贝塔朗菲《生命问题——现代生物学思想评价》吴小江 译
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在当今的可持续成长的社会，绿色物流是必不成少的。此刻，我们的糊口充满了被抛弃的、纤细的尘埃，人们的身体健康遭到严峻的。此刻的鼎力出产，产物的存储量会不竭提高，在包装、配送等环节的时间耽搁，存储的时间也会随之添加。工作人员就会采用一系列化学手段喷洒大量的化学药剂，以至会将变质的、损坏的产物随便丢弃，导致仓库四周的形成很大的污染；其次严峻的问题就是在包装上，会采用一次包装、二次包装。包装扔下的废材料被工作人员乱扔，形成白色污染。还有典型的像集装箱、桶等器具，在包装时都避免不了这些固体烧毁物，固体对的污染是极大的。因而，在当今的社会，绿色物流的成长是一个主要的部门。
