《大脑皮层的神经网络》课件

大脑皮层的神经网络大脑皮层是高级认知功能的中心，其复杂的神经网络结构和功能是理解人类智能的关键本讲座将深入探讨大脑皮层的结构、功能、神经网络的组成、可塑性以及相关的研究方法和疾病通过本讲座，您将对大脑皮层神经网络有一个全面的了解，并了解其在人工智能和神经科学中的应用和伦理考量目录本讲座的内容概览大脑皮层简介结构与功能1了解大脑皮层的基本结构和功能，为后续深入学习打下基础神经网络的基本组成神经元2介绍神经元及其连接方式，理解神经网络的基本构建模块大脑皮层的可塑性定义与意义3探讨大脑皮层的可塑性，理解其在学习和记忆中的作用大脑皮层神经网络的模型概述4介绍大脑皮层神经网络的计算模型，了解如何模拟大脑功能大脑皮层简介结构与功能大脑皮层是哺乳动物大脑最外层的结构，负责高级认知功能，如语言、记忆和决策其表面积约为平方厘米，厚度约为毫米大脑皮层由灰质构成，包25002-4含大量的神经元和神经胶质细胞，这些细胞相互连接形成复杂的神经网络大脑皮层的功能区域划分明确，不同区域负责不同的功能，但各区域之间也存在复杂的交互作用大脑皮层的分层结构六层皮层第一层分子层第二层外颗粒层第三层外锥体细胞层主要由神经胶质细胞和轴突构成，功能是包含大量的小神经元，参与局部环路和突锥体细胞是皮层的主要神经元类型，参与调节皮层兴奋性触可塑性长程连接第一层分子层功能和组成-分子层是大脑皮层最外层，主要由神经胶质细胞、轴突和树突构成，神经元密度较低分子层的主要功能是调节皮层兴奋性，通过抑制性神经元控制皮层神经元的活动分子层还参与突触可塑性，调节神经元之间的连接强度此外，分子层还包含一些特殊的神经元类型，如细胞，这些细胞在皮层发育过程中发挥重要作用Cajal-Retzius第二层外颗粒层功能和组成-神经元类型功能连接包含大量的小神经元，如颗粒细胞和中参与局部环路和突触可塑性，调节皮层与第三层和第五层有连接，参与长程信间神经元神经元的活动息传递第三层外锥体细胞层功能-和组成锥体细胞皮层的主要神经元类型，具有锥形的胞体和长长的顶端树突长程连接锥体细胞参与长程连接，与其他皮层区域和皮层下结构进行信息传递认知功能第三层锥体细胞与高级认知功能，如决策和工作记忆相关第四层内颗粒层功能和组-成内颗粒层是大脑皮层中接受感觉输入的主要层级，特别是来自丘脑的感觉信息该层包含多种神经元类型，包括星形细胞和棘状神经元，这些神经元负责处理和传递感觉信号内颗粒层的功能是整合和过滤感觉信息，并将信息传递到其他皮层区域进行进一步处理此外，内颗粒层还参与感觉学习和感知觉的形成第五层内锥体细胞层功能和组成-皮层下结构2这些锥体细胞投射到皮层下结构，如脑干和脊髓，控制运动功能运动输出1第五层是皮层运动输出的主要层级，包含大量的锥体细胞复杂功能第五层还参与复杂的认知功能，如决策和3计划第六层多形层功能和组成-多种神经元1多形层包含多种神经元类型，如锥体细胞、中间神经元和Cajal-细胞Retzius皮层下连接2多形层与皮层下结构，如丘脑和杏仁核，具有复杂的连接调节功能3多形层参与皮层兴奋性的调节和信息传递大脑皮层的功能区域划分大脑皮层的功能区域划分明确，不同区域负责不同的功能感觉皮层负责处理感觉信息，包括视觉皮层、听觉皮层和体感皮层运动皮层负责控制运动功能，包括初级运动皮层和前运动皮层联络皮层负责整合感觉和运动信息，参与高级认知功能，包括前额叶皮层、顶叶皮层和颞叶皮层各区域之间存在复杂的交互作用，共同完成各种认知任务感觉皮层视觉皮层位置功能损伤位于枕叶，负责处理视觉信息包括形状、颜色、运动和空间位置的识别损伤可能导致视觉障碍，如失明或视觉失认症感觉皮层听觉皮层位置功能12位于颞叶，负责处理听觉信息包括声音的频率、响度和位置的识别损伤3损伤可能导致听觉障碍，如耳聋或听觉失认症感觉皮层体感皮层位置功能损伤位于顶叶，负责处理体感信息包括触觉、温度、疼痛和本体感觉的识损伤可能导致体感障碍，如感觉缺失或别感觉过敏运动皮层初级运动皮层控制精确损伤负责控制身体的随意运对运动的精确性和协调损伤可能导致瘫痪或运动性至关重要动障碍运动皮层前运动皮层计划参与运动的计划和准备序列负责复杂运动序列的组织和执行指导受损可能导致运动计划和执行障碍联络皮层前额叶皮层控制2参与工作记忆、注意力和情绪控制决策1负责决策、计划和目标导向行为认知损伤可能导致执行功能障碍和人格改变3联络皮层顶叶皮层功能空间知觉、注意力和感觉整合损伤可能导致空间定向障碍、失用症或忽略综合征联络皮层颞叶皮层记忆1参与记忆、语言和物体识别语言2负责语言理解和产生识别3损伤可能导致记忆障碍、失语症或物体识别障碍神经网络的基本组成神经元神经元是神经网络的基本组成单位，负责接收、处理和传递信息神经元通过电化学信号进行通信，形成复杂的神经网络神经元的结构包括树突、胞体和轴突，这些结构在神经元的功能中发挥重要作用不同类型的神经元具有不同的功能和形态，共同完成各种神经活动神经元的结构树突、胞体、轴突树突胞体轴突接收来自其他神经元的信号，传递到胞体整合来自树突的信号，产生动作电位将动作电位传递到其他神经元神经元的分类按功能分感觉神经元运动神经元12将感觉信息从感觉器官传递到将运动指令从中枢神经系统传中枢神经系统递到肌肉和腺体中间神经元3连接感觉神经元和运动神经元，参与信息整合和处理神经元的分类按形态分锥体细胞星形细胞具有锥形胞体的神经元，主要位于具有星形胞体的神经元，主要位于皮层，参与长程连接小脑，参与运动协调颗粒细胞具有小颗粒状胞体的神经元，主要位于海马，参与记忆形成神经元之间的连接突触突触间隙神经递质可塑性神经元之间通过突触进信息通过神经递质在突突触的连接强度可以改行连接，突触是神经元触间隙中传递，影响突变，这就是突触可塑性，之间的信息传递部位触后神经元的活动是学习和记忆的基础突触传递的机制化学突触释放动作电位到达突触前神经元末梢，导致神经递质释放扩散神经递质扩散到突触间隙，与突触后神经元上的受体结合激活受体激活导致突触后神经元产生兴奋性或抑制性电位突触传递的机制电突触快速2电信号可以直接从一个神经元传递到另一个神经元，速度非常快连接1神经元之间通过缝隙连接直接连接，形成电突触同步电突触可以同步神经元的活动，参与快速3的神经环路功能神经递质的种类和作用种类谷氨酸（兴奋性）、GABA（抑制性）、多巴胺、血清素、乙酰胆碱等作用调节神经元的兴奋性、参与情绪、动机、学习和记忆等功能神经环路的类型局部环路皮层内部1神经元之间在皮层内部形成局部环路，参与信息处理和整合功能2局部环路参与感觉信息的处理、运动指令的生成和认知功能的执行复杂性3局部环路的复杂性和可塑性是大脑皮层功能的基础神经环路的类型长程环路皮层之间1神经元之间在不同皮层区域形成长程环路，连接不同的功能区域皮层下2长程环路连接皮层和皮层下结构，如丘脑、杏仁核和海马重要性3长程环路对于整合感觉、运动和认知信息至关重要大脑皮层的可塑性定义与意义大脑皮层的可塑性是指大脑皮层结构和功能可以随着经验和学习而发生改变的能力可塑性是大脑适应环境和学习新技能的基础大脑皮层的可塑性体现在突触连接的改变、神经元结构的改变和神经环路的重塑可塑性对于大脑的发育、学习、记忆和损伤修复至关重要突触可塑性的机制LTP长期增强高频刺激受体NMDA是指突触传递效率的长期增强，是学的诱导需要高频刺激，导致突触后神受体在的诱导中发挥关键作用，LTP LTPNMDA LTP习和记忆的重要机制经元去极化参与钙离子内流突触可塑性的机制LTD长期抑制低频刺激12是指突触传递效率的长期抑的诱导需要低频刺激，导致LTD LTD制，是学习和记忆的另一个重突触后神经元轻微去极化要机制受体3AMPA受体的内吞作用在的诱导中发挥关键作用AMPA LTD经验依赖的可塑性学习与记忆学习记忆突触连接经验依赖的可塑性是学习的基础，学习记忆是学习的结果，是指将经验存储和学习和记忆涉及突触连接的改变，包括是指通过经验改变行为的过程提取的过程LTP和LTD大脑皮层神经网络的模型概述计算模型模拟理解大脑皮层神经网络的模模型可以用于模拟大脑模型可以帮助我们理解型是指用数学和计算方皮层神经网络的活动，大脑皮层神经网络的功法描述大脑皮层神经网预测其行为能和机制络的结构和功能模型原理Hodgkin-Huxley与应用原理模型是描述神经元动作电位的经典模型，基于离Hodgkin-Huxley子通道的电导变化方程该模型包含四个微分方程，描述钠离子、钾离子和漏电流的变化应用模型可以用于模拟神经元的电活动，研究离子通Hodgkin-Huxley道的功能模型原理与应用Integrate-and-Fire积分2该模型描述神经元积分输入信号，当达到阈值时，神经元发放动作电位简化1模型是Integrate-and-Fire Hodgkin-模型的简化版本，计算效率更高Huxley应用模型可以用于模拟大规Integrate-and-Fire3模神经网络，研究神经网络的功能神经场模型原理与应用原理神经场模型描述神经元群体的平均活动，忽略单个神经元的细节方程该模型基于积分微分方程，描述神经元群体的兴奋性和抑制性活动应用神经场模型可以用于模拟大脑皮层的整体活动，研究脑电波和认知功能深度学习与大脑皮层的联系层次结构1深度学习模型模仿大脑皮层的层次结构，逐层提取特征卷积2卷积神经网络模仿视觉皮层的卷积操作，提取图像的局部特征递归3循环神经网络模仿大脑皮层的递归连接，处理时间序列数据卷积神经网络视觉皮层的模拟卷积层1卷积层提取图像的局部特征，如边缘和角点池化层2池化层降低特征图的分辨率，减少计算量全连接层3全连接层将特征图映射到类别标签，进行图像分类循环神经网络时间序列数据的处理递归连接时间依赖语言模型循环神经网络具有递归连接，可以记忆之循环神经网络可以处理时间序列数据，如循环神经网络可以用于构建语言模型，生前的状态语音和文本成自然语言文本大脑皮层神经网络的研究方法电生理学细胞外记录细胞内记录12记录神经元周围的电活动，测记录神经元内部的电活动，测量神经元的发放频率量神经元的膜电位脑电图3记录大脑表面的电活动，测量大脑的整体活动状态大脑皮层神经网络的研究方法脑成像技术核磁共振脑磁图核磁共振成像可以测量大脑的结构脑磁图可以测量大脑的磁活动，具和功能有高时间分辨率正电子发射断层扫描正电子发射断层扫描可以测量大脑的代谢活动大脑皮层神经网络的研究方法计算建模模型构建模型仿真数据分析构建大脑皮层神经网络仿真大脑皮层神经网络分析模型的结果，验证的计算模型，描述神经的活动，预测其行为模型的有效性元的活动和连接大脑皮层神经网络与疾病概述神经退行性疾病阿尔茨海默病和帕金森病是神经退行性疾病，与大脑皮层神经网络的损伤有关精神疾病精神分裂症和抑郁症是精神疾病，与大脑皮层神经网络的功能异常有关神经发育障碍自闭症谱系障碍是神经发育障碍，与大脑皮层神经网络的发育异常有关阿尔茨海默病神经退行性疾病记忆丧失2导致认知功能下降，包括记忆丧失、语言障碍和空间定向障碍淀粉样斑块1阿尔茨海默病的特征是淀粉样斑块和神经纤维缠结在大脑中积聚突触丧失淀粉样斑块和神经纤维缠结导致神经元死3亡和突触丧失帕金森病运动障碍疾病神经元多巴胺神经元在大脑黑质中退化症状震颤、僵硬、运动迟缓和姿势不稳定精神分裂症精神疾病多巴胺1精神分裂症与多巴胺神经递质系统的功能异常有关症状2导致幻觉、妄想、思维障碍和情感迟钝等症状连接3与大脑皮层神经网络的连接异常有关自闭症谱系障碍神经发育障碍发育1自闭症谱系障碍是神经发育障碍，在儿童早期出现社交2导致社交互动、沟通和行为模式的障碍环路3与大脑皮层神经网络的发育异常和连接异常有关大脑皮层神经网络的未来研究方向新模型新技术疾病机制开发更精确的大脑皮层神经网络模型，模应用新的研究技术，如光遗传学和基因编深入研究大脑皮层神经网络与疾病的关系，拟大脑的复杂功能辑，研究大脑皮层神经网络的功能开发新的治疗方法人工智能与神经科学的交叉融合算法智能12神经科学可以为人工智能提供人工智能可以为神经科学提供新的算法和模型新的工具和方法，研究大脑的功能和机制理解3人工智能与神经科学的交叉融合可以帮助我们更好地理解大脑和智能类脑计算模仿大脑的计算方式计算节能类脑计算是指模仿大脑的计算方式，类脑计算具有低功耗、高容错和自构建新型的计算系统适应等优点神经网络类脑计算基于神经网络和神经形态器件大脑皮层神经网络的伦理考量隐私安全公平脑机接口技术涉及个人神经调控技术涉及大脑神经技术涉及社会公平隐私的保护安全的问题的问题神经调控技术原理与应用原理神经调控技术是指通过物理或化学方法改变神经元活动的技术类型包括经颅磁刺激、脑深部刺激和神经反馈等应用神经调控技术可以用于治疗神经和精神疾病，提高认知功能经颅磁刺激（）TMS无创2是一种非侵入性的神经调控技术磁场1经颅磁刺激是通过磁场刺激大脑皮层，改变神经元活动治疗可以用于治疗抑郁症、强迫症和中风等疾病3脑深部刺激（）DBS电极脑深部刺激是通过手术将电极植入大脑深部，刺激特定的神经核团治疗可以用于治疗帕金森病、震颤和肌张力障碍等疾病神经反馈（）Neurofeedback反馈1神经反馈是通过实时监测脑电活动，向个体提供反馈控制2帮助个体学习控制自己的脑电活动治疗3可以用于治疗注意缺陷多动障碍、焦虑症和失眠等疾病总结大脑皮层神经网络的关键概念结构1大脑皮层具有分层结构和功能区域神经元2神经元通过突触连接形成神经网络可塑性3大脑皮层具有可塑性，可以随着经验和学习而改变重点回顾皮层结构与功能六层结构功能区域连接大脑皮层分为六层，每层具有不同的细胞大脑皮层分为不同的功能区域，负责不同不同的皮层区域之间通过长程连接相互联类型和功能的认知功能系，协同工作重点回顾神经元与突触信号传递改变123神经元通过电化学信号进行通信突触是神经元之间信息传递的部位突触的连接强度可以改变，是学习和记忆的基础重点回顾可塑性与学习适应机制大脑皮层具有可塑性，可以适应环突触可塑性是学习和记忆的机制境的变化疾病可塑性对于大脑的发育、学习、记忆和损伤修复至关重要。