1.4 生物意義上的神經元

“神經元”（Neuron）事實上就是“神經細胞”（Nerve Cell）的別稱。

1.4.1 神經元是如何工作的

圖1-2所示為生物神經元的基本結構。如果把大腦比作一間工廠，這個工廠干的事情就是接受貨物和送出貨物，這個工廠處理接受到的貨物，并決定送出去的是什么貨物。這些神經元就能對這些貨物進行打包、拼裝并儲存起來；有時會將另外一些已經儲存的貨物打包或拆散送出。如何處理這些貨物呢？我們可以想象這個工廠里有很多人員，有負責進貨處理的，有負責出貨處理的，決定什么貨物送出、決定如何送出，這不是由其中一個人完成的。這跟公司的組織形式很像，工廠劃分了很多部門，人們在各個部門中處理相應的貨物。這個工廠非常特殊，每個在里面工作的人都可以互相組織形成一個新的部門，負責新的貨物處理方式。

工廠里的“人”就是大腦中的神經元，也叫神經細胞。神經元是神經系統結構和功能的基本單位。神經系統主要由神經元和神經膠質組成。神經元的形狀和大小不一，但多數神經元具有一些共同結構。大致可以分為細胞體和突起兩部分。胞體的中央有細胞核。細胞核是細胞的能量中心。通過化學反應，胞體為神經活動提供能量，并大量制造用于傳遞信息的化學物質。自胞體伸出兩種突起：呈樹枝狀的被稱為樹突，它接收其他神經元的信息并傳至胞體；那一根細長的突起稱為軸突，它把沖動由胞體傳至遠處，傳給另一個神經元的樹突或肌肉與腺體。髓鞘由膠質細胞構成，包裹在軸突上，起著絕緣作用。一個神經元的軸突有許多分支末梢膨大，呈葡萄狀，稱為突觸小體，它是傳遞信息給另一個神經元的發放端。

這里對神經元的結構描述可能有些枯燥，大家要注意幾個關鍵詞，因為我們以后講人工神經元時就知道：人工神經元是模擬了生物神經元的仿生工程。

細胞軸突是一條長長的纖維，它把細胞體的輸出信息傳導到其他神經元。樹突用來接收其他神經元的輸入信號。細胞體接收所有樹突的輸入，并通過細胞體內復雜的化學變化，確定細胞體是否需要對軸突產生輸出。

神經元具有兩個最主要的特性，即興奮性和傳導性。神經元的興奮性具有一種很特殊的現象，當刺激強度未達到某一閾限值時（限值的概念為人工神經元模仿提供了理論依據，傳輸函數中大多數函數都是依據此原則來輸出的），神經沖動不會發生，而當刺激強度達到該值時，神經沖動發生并能瞬時達到最大強度，此后刺激強度即使再繼續加強或減弱，已誘發的沖動強度也不再發生變化。請大家深刻理解這個特性，興奮性的原理解釋了我們為什么需要傳輸函數，通過了解神經元的構造也可以推出傳輸函數的數學構成。

神經元的功能表現多種多樣，歸納起來可分為三類。

（1）感覺神經元（傳入神經元），其樹突的末端分布于身體的外周部，接受來自體內外的刺激，將興奮傳至脊髓和腦。

（2）運動神經元（傳出神經元），其軸突達于肌肉和腺體。運動神經元的興奮可引起它們的活動。

（3）聯絡神經元（中間神經元），介于上述兩種神經元之間，把它們聯系起來或組成復雜的網絡，起著神經元之間機能聯系的作用，多存在于腦和脊髓里。

我們從幼兒認知世界來看神經元存儲數據的方法。2歲左右的幼兒對于火這個東西沒有任何認知能力，有一天他偶然看到了蠟燭，然后讓媽媽給他點著蠟燭，他很吃驚地看著蠟燭上的火光，既好奇又緊張（與蠟燭保持一定的距離，并緊緊地抓住媽媽的手）。媽媽鼓勵他在注意安全的前提下靠近火光，感到熱量。幼兒又問這是什么，回答這是“火”。（實際上，在人類的漫長遺傳演化中，人從出生就有著敬畏火的記憶，這是遺傳性在起作用，這里為了說明過程，不考慮遺傳等因素。）

神經元在整個過程中是怎么配合并記錄對“火”的認知的呢？首先，眼睛捕捉到相應的火的信號后會將信號傳遞給視神經（感覺神經元、傳入神經元），視神經也是一種神經元，接受到的是外界刺激，這個刺激就是來自自然界的反射和散射的光線，由視神經傳遞給腦神經元（聯絡神經元），多次看到之后，其中一個神經元將火的形象存儲下來。接下來，皮膚（感覺神經元）感覺到熱，將熱這個信號傳遞給腦神經，并且和剛才的視覺形象建立了聯系；孩子如果離火太近感覺到很熱時，就會將手縮回來（運動神經元）。

這種建立是雙向的，例如，如果幼兒日后看到黃色發光物體，會認為它很熱；如果閉著眼睛摸著很熱的東西，那腦海中肯定反映出火的視覺形態。如果沒有其他信息干預的話，甚至會產生一看到類似火的東西就把手縮回來的條件反射。

我舉的這個例子不是很嚴謹，但足以讓大家明白神經元的工作原理。接下來，我們看看神經元是如何組成神經網絡的。

1.4.2 組成神經網絡

神經元之間的連接不是固定不變的，在人的學習和成長過程中，一些新的連接會被逐漸建立起來，還有一些連接可能會消失。外界刺激就是神經網絡的輸入，在接收刺激后，刺激信號將傳遞到整個網絡中，影響所有的神經元狀態，神經元之間彼此連接并相互制約影響，不斷調整彼此間的連接強度，直到達到穩定狀態，并最終對刺激做出反應。神經元之間的關系變遷形成了生物體的學習過程。

生物神經網絡是由很多神經元相互連接的，神經網絡系統是一個極為龐大又錯綜復雜的系統。雖然每個神經元都十分簡單，但如此大量的神經元之間非常復雜的連接卻可以演化出豐富多彩的行為方式。同時，如此大量的神經元與外部感受器之間的多種多樣的連接方式也蘊含了變化莫測的反應方式。總之，連接方式的多樣化導致了行為方式的多樣化。

腦神經系統的主要組成部分如圖1-3所示。人腦具有階層結構，其中最復雜的部分是處于大腦最外層的大腦皮層。在大腦皮層中密布著由大量神經元構成的神經網絡，這就使它具有高度的分析和綜合能力。它是人腦思維活動的物質基礎，是腦神經系統的核心部分。

人們通過長期的研究，進一步探明了大腦皮層是由許多不同的功能區構成的。例如，有的區專門負責運動控制，有的區專門負責聽覺，有的區專門負責視覺等。在每個功能區中，又包含許多負責某一個具體功能的神經元群。例如，在視覺神經區，存在著只對光線方向性產生反應的神經元。更進一步細分，某一層神經元僅對水平光線產生響應，而另一層神經元只對垂直光線產生反應（這個特性跟卷積神經網絡有些關聯度）。看到這里大家都覺得很熟悉，這不就是之前說的自組織（Self-Organization）工廠嗎？這里需要特別指出的是，大腦皮層的這種區域性結構，雖然是由人的遺傳特性所決定的，是先天性的，但各區域所具有的功能大部分是人在后天通過對環境的適應和學習而得來的。神經元的這種特性稱為自組織特性。所謂自組織，就是每個神經元都自己決定和另外哪些神經元鏈接，甚至不鏈接，沒有從一個“領導”的角色去安排大家的工作，而這種自己決定的特性構成了神經元的自主學習（對應于神經網絡模型的訓練），不存在外部教師的示教。還應指出，神經元的這種自組織特性來自于神經網絡結構的可塑性，即神經元之間相互連接的突觸隨著動作電位脈沖激勵方式與強度的變化，其傳遞電位的作用可增加或減弱，簡單地說就是輸入（樹突）輸出（軸突）部分是可以由鏈接強度來表示的，這直接決定了神經元A在傳遞信號給神經元B時，信號是有強度的。

還應指出，功能的分區定位并不是機械的一對一關系。許多功能，特別是高級思維功能，通常都可以分為若干子功能塊，這些子功能塊存在并行關系。對于一個特定功能的神經加工往往是在大腦皮層的許多部位分布式進行的。正因為如此，某一部位的損傷才不至于導致整個功能的喪失。

本節信息量比較大，希望大家能很好地理解，后面講人工神經網絡時會把這節講的絕大部分特性都模擬到，使讀者更深刻地理解為什么要這樣設計神經元。