شبكه‌هاي عصبي مصنوعي حل مسائل پيچيده با بهرهگيري از كاركرد مغز

[دانه کولانه]

شبكه‌هاي عصبي مصنوعي حل مسائل پيچيده با بهرهگيري از كاركرد مغز


شبكه‌هاي عصبي مصنوعي

هنگامي كه دانش عصب‌شناسي1‌ ‌به آن درجه از پيشرفت رسيد كه دانشمندان بتوانند «تا حدودي» روش كاركرد مغز انسان و ديگر موجودات را درك كنند و از سوي ديگر كاربرد تخصصي رياضيات در علوم مهندسي امري عادي و جاري شد، پيشروان اين علوم به اين فكر افتادند كه: «آيا مي‌توان روش كار مغز را با رياضيات تقريب زد؟» و براي يافتن پاسخ، به شبيه‌سازي2‌ ‌سلول‌هاي عصبي و مغز پرداختند و امروزه ديگر اين دانش به بخش جدايي‌ناپذير از علوم گوناگون، به‌ويژه مهندسي كامپيوتر، شده و به‌علت همانندي رفتاري آن با شبكه جهاني اينترنت، در آن زمينه هم كاربردهاي فراوان دارد.

مغز انسان

مغز انسان تكامل‌يافته‌ترين مغز در ميان موجودات زنده است. در سر انسان دست‌كم 11 10 سلول عصبي يا نورون3‌ ‌وجود دارد و از بزرگترين مغزها در ميان جانداران به‌شمار مي‌آيد، اما بزرگي مغز خود به‌تنهايي موجب هوشمندي نمي‌شود؛ وگرنه يك فيل يا نهنگ از انسان هوشمندتر مي‌شد. مهم‌ترين عامل هوشمندي انسان تعداد راه‌هاي ارتباط (اتصالات4‌(‌ 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 كمتر است.
مغز قوامي پنير مانند و شكل همچون گردو دارد و از 3 بخش اصلي مخ، مخچه و ساقه مغزي تشكيل شده است. بيشتر حجم مغز انسان را مخ و مخچه تشكيل مي‌دهند و به‌نظر مي‌رسد كه اين دو بخش توسط جهش‌هاي ژنتيكي5‌ ‌در پستانداران به‌وجود آمده باشد؛ زيرا بسياري ديگر از موجودات (مانند آبزيان و خزندگان) از يك يا هر دو آنها بي‌بهره‌اند. ‌ ‌
اگر تا كنون از كاركرد مغز و حافظه انسان آگاهي چنداني نداشته‌ايد، شايد دانستن اين نكته 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 شبكه اين اعصاب نهفته است.در مغز هيچ نوروني مسووليت نگهداري هيچ اطلاعات به‌خصوصي را بر عهده ندارد، بلكه 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 توزيع‌شده6‌ ‌انجام مي‌شود. البته مشاهدات علمي نشان داده كه بخش‌هايي از مغز بيشتر روي برخي از اعمال تمركز دارند. ‌
‌براي نمونه، كارهاي حركتي، نگريستن، حفظ تعادل، داوري، آينده‌نگري و كنترل ادرار و مدفوع در قطعه پيشاني7‌ ‌تمركز دارد. قطعه گيجگاهي8‌ ‌به درك شنوايي، واژگان و صداها، اختلالات رفتاري و حركتي و سرگيجه و توهم مربوط است. قطعه آهيانه9‌ ‌به شناخت ويژگي‌هاي فيزيكي اجسام (مانند وزن و جنس) و درك موقعيت فضايي اندام‌ها مي‌پردازد و مهم‌ترين كار قطعه پس‌سري10‌ ‌امور مربوط به بينايي است (شكل 1.) ‌ ‌

همچنين مخچه كارهايي را مانند تنظيم حركت چشم‌ها و تنه در پاسخ به تغيير وضعيت سر، تنظيم عضلات محوري بدن در كارهاي عادي مانند راه رفتن و شنا كردن و نيز حركات ظريف دست‌ها و نيز برنامه‌ريزي براي فعاليت‌هاي پياپي اندام‌ها را انجام مي‌دهد و ساقه مغزي نيز كارهاي حياتي و گاه غير ارادي بدن (مانند تپش قلب، فعاليت كبد، تنفس) را كنترل مي‌كند.

سلول‌هاي عصبي

هر نورون با قطري حدود 10 تا 100 ميكرون داراي بدنه11‌ ‌(كه به‌عنوان تابع رياضي مدل مي‌شود)، دندريت‌ها12‌ ‌(ورودي‌هاي تابع) و آكسون13‌ ‌(خروجي تابع) است.دندريت‌ها در مغز تا چند ميليمتر و در نخاع تا چند سانتيمتر طول دارند. روي آكسون‌ها قلافي از مايع ميلين14، كه توسط سلول‌هاي ديگري به‌نام گليا15‌ ‌توليد مي‌شود، پوشانيده و عايق شده است. اين عايق‌بندي براي جلوگيري از اتلاف نيروي الكتريكي و افزايش سرعت انتقال انجام گرفته است (شكل 2.)

مغز با برق كار مي‌كند! نيروي الكتريكي مورد نياز مغز طي يك فرايند الكتروشيميايي از غذايي كه مي‌خوريم تامين مي‌شود و البته رسيدن اكسيژن و خون به مغز بسيار حياتي است. پالس‌هاي الكتريكي 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 يك انبار عمل كرده، از حدود 104‌ ‌اتصال سيناپسي، انرژي را دريافت مي‌دارد و وقتي كه انرژي ذخيره شده‌اش به يك حد آستانه‌اي مشخص (پتانسيل كار) رسيد، آن را به‌صورت پالس بر آكسون خروجي مي‌فرستد، تا به نورون‌هاي ديگر برسد. اين‌كه نورون گيرنده چه ميزان ورودي الكتريكي، دريافت كند، به طول و قطر اتصال بين آنها بستگي دارد (كه با يك ضريب وزني تقريب زده مي‌شود) و در حقيقت همين متغيرها حافظه ما را تشكيل مي‌دهند!
در واقع، وقتي كه ورودي به مغز وارد مي‌شود؛ مثلا ما چيزي را مي‌بينيم، پالس‌هاي ديجيتالي تصاوير از چشم توسط حسگرهاي ميله‌اي و مخروطي (كه در متمركزترين نقطه، تفكيك‌پذيري حدود 10 مگاپيكسل دارند) به مغز وارد مي‌شود، موجب تحريك سلول‌هاي ديگر شده، پالس‌هايي را در مغز منتشر مي‌كند. در نتيجه و در مجموع، ما دركي از آن تصوير پيدا مي‌كنيم يا در صورت لزوم، خروجي‌ها به‌سوي اعصاب اندام‌ها، براي ايجاد واكنش يا ايراد سخن و مانند آن، فرستاده مي‌شود.

سلول عصبي مصنوعي

سلول‌هاي عصبي كنوني، پياده‌سازي برداشتي سطحي از عملكرد مغز هستند. در عمل نورون‌هاي طبيعي بسيار پيچيده‌تر از آن هستند كه با يك يا چند فرمول و عدد شبيه‌سازي شوند، اما خوشبختانه پياده‌سازي سخت‌افزاري و نرم‌افزاري اعصاب هم به‌سرعت رو به تكامل دارد. شكل 3 شماي كلي يك نورون ساده مصنوعي به‌نام پرسپترون16‌ ‌را نمايش مي‌دهد.
در اين تصوير نورون‌هاي ورودي با بردار ‌x‌ و ضرايب وزني با بردار ‌w‌ مشخص شده‌اند و تابع فعاليت بدنه سلول يك جمع‌كننده ساده به‌صورت زير است: ‌ ‌

در اين حالت خاص ورودي‌هاي شبكه به‌صورت باينري (‌0‌ يا ‌1(‌ هستند. سپس اين مقادير با يك مقدار آستانه‌اي سنجيده مي‌شود و مقدار مناسب (‌0‌ يا ‌1(‌ به خروجي فرستاده مي‌شود.
فرمول تابع فعاليت نرون پرسپترون و مقدار خروجي آن به‌شرح زير است:
البته اين نورون بيشتر حالت آموزشي و ساده دارد و در عمل، معمولا ورودي‌ها و خروجي‌ها بازه بين 1– تا 1+ را مي‌پذيرند و تابع انتقال و فعاليت ديگر هم توسط پژوهشگران ارائه شده است.

شبكه عصبي مصنوعي

شبكه عصبي مصنوعي17، از مجموعه‌اي از نورون‌هاي عصبي تشكيل مي‌شود. مهم‌ترين عواملي كه گونه‌ها و كاربردهاي شبكه‌هاي عصبي را از يكديگر متمايز مي‌سازند، نوع نورون به‌كارگرفته شده، چيدمان يا معماري شبكه، بازه ورودي/ خروجي‌ها است.
در معماري يك شبكه تعداد لايه‌ها و اتصالات بين آنها مهم است. ورودي‌هاي شبكه با نام «لايه ورودي» و خروجي(هاي) شبكه با نام «لايه خروجي» و در صورت نياز، لايه‌هاي ميان اين دو «لايه پنهان18» ناميده مي‌شود. در صورتي كه خروجي نورون‌هاي هر لايه به همه نورون‌هاي لايه بعدي وارد شده باشد، اتصالات را كامل مي‌نامند، اما اغلب خروجي‌ها به‌صورت تصادفي با توزيع نرمال در نظر گرفته مي‌شود. شكل 4 شماي كلي يك شبكه عصبي مصنوعي را نشان مي‌دهد.
پي‌نوشت‌ها
Neurology.1‌
Simulation.2‌
Neuron.3‌
Connections.4‌
Mutation.5‌
Distributed.6‌
Frontal Lobe.7‌
Temporal Lobe.8‌
Partial Lobe.9‌
Occipital Lobe.10‌
Body.11‌
Dendrites.12‌
Axon.13‌
Myelin.14‌
Glia.15‌
Perceptron.16‌
Artificial Neural Network.17‌
Hidden Layer.18

اميرشهاب شاهميري