شبکه‏هاي عصبي مصنوعي

هنگامي که دانش عصب‌شناسي  ‌به آن درجه از پيشرفت رسيد که دانشمندان بتوانند «تا حدودي» روش کارکرد مغز انسان و ديگر موجودات را درک کنند و از سوي ديگر کاربرد تخصصي رياضيات در علوم مهندسي امري عادي و جاري شد، پيشروان اين علوم به اين فکر افتادند که: «آيا مي‌توان روش کار مغز را با رياضيات تقريب زد؟» و براي يافتن پاسخ، به شبيه‌سازي ‌سلول‌هاي عصبي و مغز پرداختند و امروزه ديگر اين دانش به بخش جدايي‌ناپذير از علوم گوناگون، به‌ويژه مهندسي کامپيوتر، شده و به‌علت همانندي رفتاري آن با شبکه جهاني اينترنت، در آن زمينه هم کاربردهاي فراوان دارد.

مغز انسان

مغز انسان تکامل‌يافته‌ترين مغز در ميان موجودات زنده است. در سر انسان دست‌کم   10 سلول عصبي يا نورون 3‌ ‌وجود دارد و از بزرگترين مغزها در ميان جانداران به‌شمار مي‌آيد، اما بزرگي مغز خود به‌تنهايي موجب هوشمندي نمي‌شود؛ وگرنه يک فيل يا نهنگ از انسان هوشمندتر مي‌شد. مهم‌ترين عامل هوشمندي انسان تعداد راه‌هاي ارتباط (اتصالات ‌) بين هر نورون مغز وي است و در انسان به طور حدودي و متوسط به 10 هزار اتصال مي‌رسد و اين تعداد در ديگر جانداران به‌مراتب کمتر است.

مغز قوامي پنير مانند و شکل همچون گردو دارد و از 3 بخش اصلي مخ، مخچه و ساقه مغزي تشکيل شده است. بيشتر حجم مغز انسان را مخ و مخچه تشکيل مي‌دهند و به‌نظر مي‌رسد که اين دو بخش توسط جهش‌هاي ژنتيکي ‌در پستانداران به‌وجود آمده باشد؛ زيرا بسياري ديگر از موجودات (مانند آبزيان و خزندگان) از يک يا هر دو آنها بي‌بهره‌اند. 

اگر تا کنون از کارکرد مغز و حافظه انسان آگاهي چنداني نداشته‌ايد، شايد دانستن اين نکته بتواند شگفتي شما را برانگيزاند: «در مغز انسان جايي به‌عنوان حافظه براي ثبت اطلاعاتي مشخص وجود ندارد!» حتما مي‌پرسيد پس چگونه ما چيزها را به‌خاطر مي‌سپاريم و آن را به‌ياد مي‌آوريم؟! پاسخ در ماهيت سلولهاي عصبي و شبکه اين اعصاب نهفته است.در مغز هيچ نوروني مسووليت نگهداري هيچ اطلاعات به‌خصوصي را بر عهده ندارد، بلکه همه نورون‌ها همه اطلاعات و امور پردازشي و تصميم‌گيري را انجام مي‌دهند. به‌عبارت ديگر، نورون‌ها تفاوت چنداني با هم ندارند و پردازش در مغز به‌صورت توزيع‌شده  ‌انجام مي‌شود. البته مشاهدات علمي نشان داده که بخش‌هايي از مغز بيشتر روي برخي از اعمال تمرکز دارند. 

سلول‌هاي عصبي

هر نورون با قطري حدود 10 تا 100 ميکرون داراي بدنه ‌(که به‌عنوان تابع رياضي مدل مي‌شود)، دندريت‌ها  (ورودي‌هاي تابع) و آکسون (خروجي تابع) است.دندريت‌ها در مغز تا چند ميليمتر و در نخاع تا چند سانتيمتر طول دارند. روي آکسون‌ها قلافي از مايع ميلين ، که توسط سلول‌هاي ديگري به‌نام گليا‌ ‌توليد مي‌شود، پوشانيده و عايق شده است. اين عايق‌بندي براي جلوگيري از اتلاف نيروي الکتريکي و افزايش سرعت انتقال انجام گرفته است.

مغز با برق کار مي‌کند! نيروي الکتريکي مورد نياز مغز طي يک فرايند الکتروشيميايي از غذايي که مي‌خوريم تامين مي‌شود و البته رسيدن اکسيژن و خون به مغز بسيار حياتي است. پالس‌هاي الکتريکي با اختلاف پتانسيل در محدوده 70– و 40+ ميلي‌ولت توسط حسگرهاي بدن (مانند چشم، پوست و ...) و يا ديگر نورون‌هاي درون مغز، همواره به هر نورون ارسال مي‌شود. بدنه هر نورون مانند يک انبار عمل کرده، از حدود 10000‌ ‌اتصال سيناپسي، انرژي را دريافت مي‌دارد و وقتي که انرژي ذخيره شده‌اش به يک حد آستانه‌اي مشخص (پتانسيل کار) رسيد، آن را به‌صورت پالس بر آکسون خروجي مي‌فرستد، تا به نورون‌هاي ديگر برسد. اين‌که نورون گيرنده چه ميزان ورودي الکتريکي، دريافت کند، به طول و قطر اتصال بين آنها بستگي دارد (که با يک ضريب وزني تقريب زده مي‌شود) و در حقيقت همين متغيرها حافظه ما را تشکيل مي‌دهند!

در واقع، وقتي که ورودي به مغز وارد مي‌شود؛ مثلا ما چيزي را مي‌بينيم، پالس‌هاي ديجيتالي تصاوير از چشم توسط حسگرهاي ميله‌اي و مخروطي (که در متمرکزترين نقطه، تفکيک‌پذيري حدود 10 مگاپيکسل دارند) به مغز وارد مي‌شود، موجب تحريک سلول‌هاي ديگر شده، پالس‌هايي را در مغز منتشر مي‌کند. در نتيجه و در مجموع، ما درکي از آن تصوير پيدا مي‌کنيم يا در صورت لزوم، خروجي‌ها به‌سوي اعصاب اندام‌ها، براي ايجاد واکنش يا ايراد سخن و مانند آن، فرستاده مي‌شود.

سلول عصبي مصنوعي

سلول‌هاي عصبي کنوني، پياده‌سازي برداشتي سطحي از عملکرد مغز هستند. در عمل نورون‌هاي طبيعي بسيار پيچيده‌تر از آن هستند که با يک يا چند فرمول و عدد شبيه‌سازي شوند، اما خوشبختانه پياده‌سازي سخت‌افزاري و نرم‌افزاري اعصاب هم به‌سرعت رو به تکامل دارد.

شبکه عصبي مصنوعي

شبکه عصبي مصنوعي، از مجموعه‌اي از نورون‌هاي عصبي تشکيل مي‌شود. مهم‌ترين عواملي که گونه‌ها و کاربردهاي شبکه‌هاي عصبي را از يکديگر متمايز مي‌سازند، نوع نورون به‌کارگرفته شده، چيدمان يا معماري شبکه، بازه ورودي/ خروجي‌ها است.

در معماري يک شبکه تعداد لايه‌ها و اتصالات بين آنها مهم است. ورودي‌هاي شبکه با نام «لايه ورودي» و خروجي(هاي) شبکه با نام «لايه خروجي» و در صورت نياز، لايه‌هاي ميان اين دو «لايه پنهان 18» ناميده مي‌شود. در صورتي که خروجي نورون‌هاي هر لايه به همه نورون‌هاي لايه بعدي وارد شده باشد، اتصالات را کامل مي‌نامند، اما اغلب خروجي‌ها به‌صورت تصادفي با توزيع نرمال در نظر گرفته مي‌شود. شکل زير شماي کلي يک شبکه عصبي مصنوعي را نشان مي‌دهد.