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Prof. Dr. Helder Anibal Hermini. Uma Introdução às Redes Neurais O cérebro humano é considerado o mais fascinante processador baseado em carbono existente,

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1 Prof. Dr. Helder Anibal Hermini

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3 Uma Introdução às Redes Neurais O cérebro humano é considerado o mais fascinante processador baseado em carbono existente, sendo composto por aproximadamente 10 bilhões neurônios. Todas as funções e movimentos do organismo estão relacionados ao funcionamento destas pequenas células. Os neurônios estão conectados uns aos outros através de sinapses, e juntos formam uma grande rede, chamada REDE NEURAL. As sinapses transmitem estímulos através de diferentes concentrações de Na+ (Sódio) e K+ (Potássio), e o resultado disto pode ser estendido por todo o corpo humano. Esta grande rede proporciona uma fabulosa capacidade de processamento e armazenamento de informação.

4 Uma Introdução às Redes Neurais O sistema nervoso é formado por um conjunto extremamente complexo de neurônios. Nos neurônios a comunicação é realizada através de impulsos, quando um impulso é recebido, o neurônio o processa, e passado um limite de ação, dispara um segundo impulso que produz uma substância neurotransmissora o qual flui do corpo celular para o axônio (que por sua vez pode ou não estar conectado a um dendrito de outra célula). O neurônio que transmite o pulso pode controlar a freqüência de pulsos aumentando ou diminuindo a polaridade na membrana pós sináptica. Eles tem um papel essencial na determinação do funcionamento, comportamento e do raciocínio do ser humano.

5 Uma Introdução às Redes Neurais Ao contrário das redes neurais artificiais, redes neurais naturais não transmitem sinais negativos, sua ativação é medida pela freqüência com que emite pulsos, freqüência esta de pulsos contínuos e positivos. As redes naturais não são uniformes como as redes artificiais, e apresentam uniformidade apenas em alguns pontos do organismo. Seus pulsos não são síncronos ou assíncronos, devido ao fato de não serem contínuos, o que a difere de redes artificiais.

6 Introdução Os neurônios são considerados unidades básicas de processamento do cérebro. Os neurônios estão conectados uns aos outros através de conexões sinápticas. A capacidade das sinapses serem moduladas é a principal base para todos os processos cognitivos, como percepção, raciocínio e memória. Sendo assim, algumas informações essenciais sobre neurônios, sinapses e organização estrutural são importantes para o projeto de RNAs (Redes Neurais Artificiais).

7 Imagem de um Neurônio Obtida por microscopia eletrônica 1– Corpo Celular 2 – Membrana Neuronal 3 – Dendritos 4 - Axônio 5 – Terminal Nervoso pré-sinático

8 Tipos de Neurônios AssociaçãoMotores Sensores

9 Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano

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16 Sistema Nervoso

17 O sistema nervoso - entradas sensoriais, de informações sobre o ambiente; processamento, comparado com as experiências passadas; e ações apropriadas (atuações) ou absorções sob a forma de conhecimento. O sistema nervoso possui duas divisões principais: sistema nervoso central e sistema nervoso periférico. O sistema nervoso central consiste basicamente no cérebro e medula espinhal, enquanto que o sistema nervoso periférico é formado por todos os nervos que ficam fora do sistema nervoso central. SISTEMA NERVOSO Sistema nervoso central

18 Distribuição dos neurônios no cérebro Num milímetro cúbico de tecido do córtex, existem aproximadamente 10 5 neurônios e 10 9 sinapses. Muitas áreas do cérebro apresentam uma organização laminar de neurônios. Lâminas são camadas de neurônios em contato com outras camadas. Um dos arranjos mais comuns de neurônios é uma estrutura bidimensional em camadas.

19 Córtex O córtex corresponde à parte mais externa do cérebro; uma estrutura com vários dobramentos, fissuras e elevações. Em geral os neurônios do córtex estão organizados em camadas distintas, que são sub-divididas em camada de entrada, camadas intermediárias ou escondidas e camada de saída. A camada de entrada recebe os sinais sensoriais ou de entrada, a camada de saída envia sinais para outras partes do cérebro e as camadas intermediárias se interconectam com outras camadas do córtex.

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21 I – camada molecular II – camada granular externa III – camada de células piramidais IV – camada granular interna V – camada de células piramidais gigantes VI – camada de células fusiformes e polimórficas Camadas do Córtex

22 Funções dos neurônios nas diversas camadas do córtex sensorial – o sinal sensorial recebido excita de início a camada IV; daí o sinal se espalha tanto para a superfície do córtex como para as camadas mais profundas. - As camadas I e II recebem estímulos difusos e inespecíficos dos centros cerebrais inferiores. - Os neurônios das camadas II e III enviam axônios a outras partes do córtex. - Os neurônios das camadas V e VI enviam axônios a partes mais distantes do sistema nervoso. Os da camada V são maiores e fazem projeção para áreas mais distantes, por exemplo, até o tronco cerebral e a medula espinhal. I – camada molecular II – camada granular externa III – camada de células piramidais IV – camada granular interna V – camada de células piramidais gigantes VI – camada de células fusiformes e polimórficas

23 Observações psicológicas permitem verificar grau de plasticidade dos neurônios. Existem mudanças rápidas e fáceis, mudanças lentas e profundas, e mudanças mais permanentes, porém ainda modificáveis. A aprendizagem é resultado de alterações locais nos neurônios. Fisicamente, existem diversas formas de modificações possíveis em um neurônio: a)dendrites podem nascer, bem como serem removidos; b)alguns dendrites se estica ou se encolhe, permitindo ou eliminando, respectivamente, a conexão com outras células; c)novas sinapses podem ser criadas ou sofrerem alterações; d)sinapses também podem ser removidas; e e)todo neurônio pode morrer e também se regenerar. A aprendizagem via modulação sináptica é o mecanismo mais importante para as redes neurais, sejam elas biológicas ou artificiais. Funções dos neurônios nas diversas camadas do córtex sensorial

24 Memória A memória também é resultado de um processo adaptativo das sinapses. Um dos resultados de um processo de aprendizagem é a criação de um padrão de conexões sinápticas duradouro, que resulta na memorização de uma determinada experiência. A aprendizagem pode ser vista como o processo adaptativo da estrutura sináptica, enquanto a memória é o resultado deste processo adaptativo. As memórias podem ser classificadas como: – imediata: capacidade de memorização de até 7 a 10 números de telefone – de curto prazo: duram vários minutos ou até semanas, porém são esquecidas – de longo prazo: resulta de alterações estruturais nas sinapses e duram quase que infinitamente. Os potenciais de ação de longa duração, são vistas na região do cérebro denominada hipocampo.

25 Técnicas de Análise Métodos tradicionais: estudo de pacientes que sofreram danos cerebrais e uso de modelos animais. A atividade de um único neurônio pode ser analisado usando um microeletrodo. (um conjunto de neurônios com multi-eletrodos). Um microeletrodo de fio de tungstênio isolado com vidro é inserido no cérebro de um animal e a sua posição é ajustada até atingir um neurônio numa área cerebral particular.

26 Técnicas de Análise não invasivas Técnicas de análise não invasivas são: tomografia computadorizada (CT), imageamento usando ressonância magnética e tomografia de emissão de pósitron. Tomografia computadorizada usa raios-X para uma análise não invasiva do cérebro. Imageamento por Ressonância Magnética (MRI) ao invés de raios-X usa um campo magnético extremamente forte no cérebro do paciente de tal forma que algumas moléculas do cérebro giram (spin) em certa direção. Se uma frequência de rádio é então passada através do corpo, esses núcleos emitem ondas de rádio. Diferentes moléculas emitem ondas em diferentes frequências. Os scanners de MRI são sintonizados para detectar radiações de moléculas de hidrogênio. Como essas moléculas estão presentes em diferentes concentrações em diferentes tecidos do cérebro, o scanner pode usar essa informação para preparar figuras de fatias do cérebro. As técnicas CT e MRI mostram a estrutura do cérebro, porém não mostram como elas funcionam. A tomografia de emissão de pósitron (PET) mostra como o cérebro funciona.

27 Tomografia por emissão de pósitron (PET ) Assume-se que as áreas ativas do cérebro tem fluxo de sangue maior que nas áreas inativas. Isso porque as áreas mais ativas usam mais oxigênio e metabólitos e produzem mais resíduos. Assim, mais fluxo de sangue é necessário para suprir oxigênio e metabólitos e remover os resíduos. A câmera de PET consiste de detectores de radiação que circula o cérebro do paciente. Assim que a câmera é posicionada, é injetada na veia do paciente uma pequena quantidade de água com isótopo radioativo de emissão de pósitron, Oxigênio-15. Após minutos da injeção a água radioativa se espalha no cérebro na mesma proporção do fluxo sanguíneo local. Quanto maior o fluxo de sangue, maior a contagem de radiação registrada no PET. A medição dura aproximadamente 1 minuto. A meia vida do isótopo de Oxigênio-15 é de somente 2 minutos, o que é importante, para que o material radioativo não fique muito tempo no paciente.

28 Ressonância Magnética Nuclear Funcional (fMRI) Uma nova técnica denominada Ressonância Magnética Funcional (fMRI) também faz medidas de fluxo sanguíneo. Deoxyhaemaglobin (hemoglobina sem oxigênio) é paramagnético e o vaso sanguíneo que contem essa substância altera o campo magnético. Portanto é possivel mapear o fluxo sanguíneo baseado nessas mudanças locais de campo magnético.

29 Essas novas técnicas tem permitido conhecer o funcionamento das partes do cérebro junto com a sua anatomia. Por exemplo, quando percebemos cor, pode-se verificar agora qual área do cérebro está processando essa informação que dá a sensação de cor. Pode-se verificar também como diferentes áreas do cérebro interagem para produzir a síntese de diferentes sensações visuais. Técnicas de Análise não invasivas

30 TRANSMISSÃO DE SINAIS NOS NEURÔNIOS E SINAPSES

31 Os neurônios ficam contidos num ambiente líquido contendo uma certa concentração de íons, que podem entrar ou sair através dos canais iônicos. Tanto as transmissões de sinais nos axônios, como as sinapses usam esses canais iônicos. Os canais iônicos podem ser modulados, permitindo o cérebro se adaptar a diferentes situações. A plasticidade sináptica é a capacidade das sinapses sofrerem modificações. A sinapse é a junção entre o axônio pré-sináptico e o dendrite pós-sináptico. O neurônio que envia o sinal é chamado pré-sináptico. O neurônio receptor do sinal é chamado pós-sináptico. TRANSMISSÃO DE SINAIS NOS NEURÔNIOS

32 Transmissão de Sinais nos Neurônios e sinapses Neurônio pré-sináptico Neurônio pós-sináptico Neurônio pós-sináptico Fenda sináptica

33 Disparo de um neurônio Numa sinapse, dependendo da carga do íon, o fluxo resulta em aumentar (excitação) ou diminuir (inibição) o potencial de membrana. O dendrite de um neurônio recebe íons de várias sinapses e o resultado elétrico da concentração desses íons consiste no que se chama de potencial de membrana. Esse potencial de membrana gera eventualmente um pulso elétrico de disparo, denominado potencial de ação. A ativação de um neurônio ocorre apenas quando seu potencial de membrana é maior do que um valor limiar (threshold). O potencial de ação é gerado no corpo celular, na região denominada de axon hillock, e percorre o axônio até a sua extremidade, que coincide com a sinapse, para atuar no neurônio pós-sinaptico seguinte.

34 MECANISMOS BIOQUÍMICOS NOS NEURÔNIOS NA TRANSMISSÃO DE SINAIS ATRAVÉS DO AXÔNIO O corpo humano consiste principalmente de água, 55% dentro das células e 45% fora nos ambientes intercelulares. Alguns sais, presentes no corpo, dissolvem-se nos fluidos intracelulares e extracelulares, em íons positivos e negativos. O cloreto de sódio, por exemplo, dissocia-se em íons positivos de sódio (Na+) e íons negativos de cloro (Cl-). Outros íons positivos presentes no interior e exterior das células são o potássio (K+) e o cálcio (Ca2+).

35 As membranas das células exibem diferentes graus de permeabilidade para cada um desses íons. A permeabilidade é determinada pelo número e tamanho dos poros na membrana, chamados canais iônicos, que são macromoléculas com formas e cargas que permitem a passagem de um lado para o outro apenas de certos íons. Assim, os canais são seletivamente permeáveis para íons de sódio, potássio e calcio. A permeabilidade específica da membrana resulta em diferentes distribuições de íons no interior e exterior das células, e isso, faz com que o interior das células seja carregado negativamente em respeito ao fluido extracelular. MECANISMOS BIOQUÍMICOS NOS NEURÔNIOS NA TRANSMISSÃO DE SINAIS ATRAVÉS DO AXÔNIO

36 Numa célula, se a concentração inicial de íons de potássio no seu interior é maior que no exterior, íons positivos de potássio irão se difundir através dos canais abertos para potássio. Se existirem apenas esses canais iônicos, os íons negativos não se dispersam através da membrana. O interior da célula torna-se negativo em relação ao exterior, criando uma diferença de potencial entre ambos os lados da membrana. Essa diferença de potencial balanceia o potencial de difusão, e nesse ponto, o fluxo de íons de potássio pela membrana é zerado, e o sistema atinge assim o estado estacionário. MECANISMOS BIOQUÍMICOS NOS NEURÔNIOS NA TRANSMISSÃO DE SINAIS ATRAVÉS DO AXÔNIO

37 Devido a existência de diferentes concentrações de íons internas e externas às células, o potencial típico das células é de – 70 mV. Os dois principais íons internos à célula são sódio e potássio. O potencial de equilíbrio do potássio é de -80 mV e o do sódio fica em torno de 58 mV. A célula atinge um potencial entre -80mV e 58 mV. O potencial de equilíbrio é perto do valor induzido pelo potássio. Existe um fluxo de difusão do potássio para o exterior, e de sódio para o interior, porém os íons de sódio são menos móveis porque existem poucos canais abertos disponíveis.

38 Modelo de Alan Hodgkin e Andrew Huxley Nesse modelo, a membrana comporta-se como um capacitor, carregado por íons positivos ou negativos. As condutâncias g Na, g K e g L refletem a permeabilidade da membrana para o sódio, potássio, e dispersão (leakage). Fazendo g Na maior, e portanto a mobilidade dos íons de sódio maior que a mobilidade dos íons de potássio, a polaridade da célula muda de -70mV para um valor positivo, próximo a 58 mV que é o potencial de equilíbrio para os íons de sódio. Se a condutância g K tornar-se maior que g Na a polaridade volta para o valor original.

39 Além dos canais iônicos estáticos, existem os canais eletricamente controlados. Esses canais reagem a uma depolarização da membrana celular Quando o potencial no interior da célula em relação ao exterior atinge um limiar, os canais seletivos ao sódio abrem-se automaticamente e os íons positivos de sódio fluem para dentro da célula, tornando positivo o interior da célula. Isso por seu lado, faz com que os canais seletivos aos íons de potássio abram e íons positivos de potássio fluam para o exterior da célula, restaurando a polarização negativa original.

40 Uma bomba de íons transporta o excesso de íons de sódio para fora da célula e, ao mesmo tempo, íons de potássio para o interior, ajudando a restauração do potencial de repouso de - 70mV. Essa bomba de íons consome um composto denominado trifosfato de adenosina (ATP). A bomba de íons é um exemplo de sistema auto- organizado, acelerando e desacelerando em função da diferença na concentração de íons em ambos os lados da membrana. As bombas de íons são constantemente ativas e são responsáveis por uma parte considerável do consumo de energia do sistema nervoso.

41 Os sinais são representados por ondas de depolarização que se propagam através do axônio de uma forma auto-regenerativa, chamada de potencial de ação. Um potencial de ação é produzido por uma depolarização inicial da membrana celular. O potencial aumenta de -70mV para +40mV. Após certo tempo o potencial se torna negativo novamente, mas fazendo um overshoot, indo para -80mV. A célula recupera gradualmente o potencial e a membrana retorna para o potencial inicial. O tempo de duração do pulso é determinado, como em qualquer circuito resistor- capacitor com constante de tempo RC. Em neurônios, 2.4 ms é um valor típico para essa constante de tempo. Na+ entra K+ sai Bomba de íons Potencial de ação deslocamento

42 Propagação do potencial de ação

43 Bioquímica da sinapse As pequenas vesículas contem transmissores químicos, denominados neurotransmissores. O pequeno espaçamento entre a sinapse e a célula a qual é conectado (pós-sináptica) é conhecido como gap sináptico, ou fenda sináptica Célula pós-sináptica Célula pré-sináptica

44 Quando um pulso elétrico (potencial de ação) chega a uma sinapse, as vesículas são ativadas e se aproximam da membrana celular. Os transmissores fluem para a fenda sináptica e alguns atingem os canais iônicos. Se o transmissor é do tipo certo, os canais iônicos são abertos e mais ions podem agora fluir do exterior para o interior da célula. Bioquímica da sinapse

45 Aprendizado Hebbiano (Hebbian Learning) O receptor de NMDA é um mecanismo usado pelos neurônios para aumentar a sua plasticidade, ou seja, a adaptabilidade para circunstâncias de mudança. - modificação da permeabilidade da membrana diminuindo o limiar de disparo. Os receptores de NMDA também explicam o fato de que as células que não são estimuladas ao disparo tendem a ter alto nível de limiar. Os receptores de NMDA agem como detectores de coincidência da atividade pré-sináptica e pós-sináptica. Um dos modelos de aprendizado mais popular em redes neurais artificiais é chamado de Aprendizado Hebbiano (Hebbian Learning, em inglês), e consiste no reforço dos pesos nas conexões onde existe coincidência nas atividades pré-sináptica e pós-sináptica.


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