腦與認知科學期末考試

1、腦與認知復習參考資料一，名詞解釋（4個，每個8分）1,智能：智能是知識和智力的總和，其中知識是一切行為的基礎，而智力是獲 取知識并運用知識求解問題的能力，是頭腦中思維活動的具體體現(xiàn)。2,自然智能：又稱為人類智能，就是人類認識世界和改造世界的才智和本領， 是人的智力和能力的總合。主要包括感知能力，思維能力，行為能力3個方面。3,人工智能：也稱機器智能。是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的 理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。 人工智能是計算機科學的一 個分支，它企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做 出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識

2、別、自然語言 處理和專家系統(tǒng)等。4, NBIC會聚技術：（Nano-Bio-Info-Cogn市on ）是指當前四個迅速發(fā)展的科學 技術領域的協(xié)同和融合。這四個領域是納米科技 （Nano-technology）,生物技術 （Biotechnology, 包括生物制藥及基因工程），信 息技術（Information Technology包括先進計算機和通信），認知科學（Cognitive Science包括認知神 經(jīng)科學）。5,神經(jīng)系統(tǒng)（NerVous Syatem）:由中樞神經(jīng)系統(tǒng) 和周圍神經(jīng)系統(tǒng) 兩大部分組成。 其中腦和脊髓構成中樞神經(jīng)系統(tǒng)，腦神經(jīng)，脊神經(jīng)和內(nèi)臟神經(jīng)系統(tǒng) 組成周圍神經(jīng) 系統(tǒng)。

3、是機體內(nèi)起主導作用的系統(tǒng)，它在維持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài) ，保持機體內(nèi)完整 統(tǒng)一性及其與外環(huán)境的協(xié)調(diào)平衡中起著主導作用。6,學習：由日常生活經(jīng)驗引起的相對持久的行為變化。這個定義里不包括因為 動機，疲勞，成熟，疾病，受傷或者藥物產(chǎn)生的暫時性的行為變化。7,快速眼動睡眠（Rapid Eye Movement, REM：是一個睡眠的階段，又稱快速 眼動睡眠。眼球在此階段時會快速移動。在這個階段，大腦的神經(jīng)元的活動與清 醒的時候相同。多數(shù)在醒來后能回憶的栩栩如生的夢都是在REM垂眠發(fā)生的。它是全部睡眠階段中最淺的,在REMB眠時醒過來的人會不同于在其他睡眠階段 的情形，而是充滿警覺心并且精神飽滿。8,失語癥

4、：是指當損壞了大腦中的布洛卡區(qū)或者威爾尼克區(qū)時，語言能力受損 的癥狀。比如布洛卡區(qū)受損傷的病人能夠閱讀和理解其他人的言語，但是自己說話和寫東西極為困難，威爾尼克區(qū)受損傷的病人會在對一些詞語的表達上有困 難。9,意識：是人們對自身以及周圍世界感知的心理現(xiàn)象。人的意識總是處于不同 的狀態(tài)，這與注意程度有關。10,人工大腦：人類以高超的智慧，通過科學技術造出的類似于人腦的智能機器 腦袋。即是人工器官的一種，是人腦的模型，延伸和擴展，是具有人腦的現(xiàn)象， 行為和特性，功能的人造系統(tǒng)。11,人工器官：人工器官是用人工材料制成，能部分或全部代替人體自然器官功 能的機械裝置，如人工腎，人工心肺等。12,海馬區(qū)

5、：是幫助人類處理長期學習與記憶聲光、味覺等事件的大腦區(qū)域，發(fā) 揮所謂的“敘述性記憶”功能。在醫(yī)學上，“海馬區(qū)”是大腦皮質(zhì)的一個內(nèi)褶區(qū)， 在“側(cè)腦室”底部繞“脈絡膜裂”形成一弓形隆起，它由兩個扇形部分所組成， 有時將兩者合稱海馬結(jié)構。13, Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡：是一種神經(jīng)動力學系統(tǒng)，具有穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，及存 在著吸引子，因而Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡具有聯(lián)想記憶功能。14,短時記憶：短時記憶在瞬時記憶之后，是信息到達長時記憶的中間環(huán)節(jié)或者 過度環(huán)節(jié)，是記憶對信息加工處理的核心環(huán)節(jié)之一。15,記憶：基本含義：學習過后，信息保持一段時間，并在一些特定的情景中提取出 它們并加以運用。認知心理學認為

6、：記憶是對輸入信息的編碼，存儲，并在一定 條件下進行檢索和提取的過程。記憶包含三個階段：編碼，存儲和提取。黑箱方法：16,認知：在心理學中是指通過形成概念、知覺、判斷或想象等心理活動來獲取 知識的過程，即個體思維進行信息處理的心理功能。 認知過程可以是自然的或人 造的、有意識或無意識。17,黑想方法：所謂黑箱方法，就是通過考察系統(tǒng)的輸入、輸出及其動態(tài)過程， 而不通過直接考察其內(nèi)部結(jié)構，來定量或定性地認識系統(tǒng)的功能特性、行為方式， 以及探索其內(nèi)部結(jié)構和機理的一種控制論認識方法。“黑箱”指內(nèi)部構造和機理不能直接觀察的事物或系統(tǒng)。黑箱方法注重整體和功能，兼有抽象方法和模型方 法的特征。二，簡答 （簡

7、答。3個每個10分;論述。1個，18分）1,認知科學的研究對象腦科學的研究對象是腦的結(jié)構和功能。認知科學的研究對象是人類認知過程（知覺、注意、記憶、學習、思維、情緒、意識等情智活動）。2,人類大腦的三大組成部分和其功能一般認為，人的大腦有三個區(qū)域：大腦皮層，大腦邊緣系統(tǒng)和腦干。大腦皮層是大腦的一個解剖結(jié)構。大腦皮層是端腦的一部分，屬于腦和整個神 經(jīng)系統(tǒng)演化史上最為晚出現(xiàn)、功能上最為高級的一部分。大腦皮層包括視覺和聽 覺皮質(zhì)，皮質(zhì)層完成大多數(shù)的感知處理過程。 大腦皮層功能是：維持人的高級認 知功能，比如語言、決策、學習、抽象思維、情感等；與軀體感覺，空間信息處 理，視覺信息和體感信息的整合有關；

8、與人的聽覺，嗅覺，語言理解；與人的視 覺處理獎勵學習和記憶有關。大腦邊緣系統(tǒng)組成：邊緣葉和相關的皮質(zhì)及皮質(zhì)下結(jié)構。功能是： 1、與內(nèi)臟 活動有關，如進食等。2、與個體生存和種族延續(xù)有關。3、與情緒、精神、記憶 等高級神經(jīng)活動有關。腦干（brainstem）是位于脊髓和問腦之間的較小部分，位于大腦的下面，腦 干的延髓部分下連脊髓。腦干的功能主要是維持個體生命，包括心跳、呼吸、消 化等重要生理功能，均與腦干的功能有關。3,左腦和右腦的功能對比分析（要求做到分析，文字性的論述）左腦的功能：左腦除了操作者右半身的運動外，還承擔著語言，倫理，邏輯等 思維以及計算的任務。右腦的功能：右腦除了擔當支配左半身

9、的行動， 還與音樂，繪圖以及形象的形 成，主體的認識有關?！?左，右通功能對比左M右置控制身體右出活動塾制身體左M喀動克制右R視范持於左雷粗施出建處也輸入的G息同時處理，人的息明苴片藏國堂時向感覺空間主司音語技旅主司際象優(yōu)技修餓艷分析直量和動生£5松根的枝本*但是，隨著研究的深入，人們逐漸認識到，大腦左右半球的分工并不是那么經(jīng)緯分明，功能的單側(cè)化只具有相對的意義， 左右半腦既有相對的分工，又有密切的協(xié)作，人的許多重要 的心里功能都需要左右半腦的密切協(xié)作才能完成。4,右腦開發(fā)的重要性人的左腦主要從事邏輯性、條理性的思維；右腦主要從事形象思維，是創(chuàng)造力 的源泉，是藝術和經(jīng)驗學習的中樞，右

10、腦的存儲量是左腦的1萬倍?？墒乾F(xiàn)實生 活中95%勺人，僅僅只使用了自己的左腦?？茖W家們指出，終其一生，大多數(shù)人 只運用了大腦的數(shù)4%其余的97%fB蘊藏在右腦的潛意識之中。所以，通過各 種行之有效的方法開發(fā)右腦，才能不斷提高人的形象思維能力與創(chuàng)造性，因為在 創(chuàng)造過程中，右腦的想象、知覺、思維、靈感等因素，是創(chuàng)造力突破的關鍵。5,意識和潛意識如何相互轉(zhuǎn)換意識：是人們對自身以及周圍世界感知的心理現(xiàn)象。 人的意識總是處于不同的 狀態(tài)，這與注意程度有關。由于不同的時間和空間內(nèi)注意程度不同， 所以意識具 有不同的層面。潛意識：指隱藏在意識層面下的情感，欲望，恐懼等復雜經(jīng)驗，因受意識的控 制和抑制，致使個

11、體不自覺知的意識。二者區(qū)別：（1）意識可以被本人察覺，而潛意識不能。（2）意識是要用來控制 非本能行為的，而潛意識一般只是對意識產(chǎn)生影響，或者讓你產(chǎn)生本能反應。意識用來控制復雜的后天行為的心理活動，而潛意識用來喚醒意識或者維持一些本能反應。意識可以被察覺而潛意識不能被察覺。 當人的某種行為的重復次數(shù)達到一定數(shù)量時， 這 個行為已經(jīng)接近成為本能行為。 這時，該行為的做出是由潛意識控制的，而不是意識。 而當 潛意識感知到身體的某些反應時，會喚醒意識，然后執(zhí)行人在后天形成的行為。6,人工大腦的分類按照人工大腦的實現(xiàn)方式可以分為：類似生命的模型人工大腦和社會模型人工 大腦；按照人工大腦的構造方法和技術

12、可以分為：生物人工腦，工程人工腦，生 物工程人工腦；按照人工大腦的工程實現(xiàn)方法 可以分為：基于神經(jīng)工程的人工大 腦，基于AI的人工大腦和基于超級計算機的人工大腦。7,海馬記憶功能神經(jīng)網(wǎng)絡模型模型框圖A, B, C表示三個神經(jīng)網(wǎng)絡，它們組成兩級聯(lián)想記憶模型，其中A, B中的興奮模式表示不同的感覺事件，C是高級結(jié)構，C中的興奮模式表示事件的全體。和 是相應的海馬的不同部分。該模型中，用神經(jīng)興奮模式(PF)表示信息。在A和B神經(jīng)網(wǎng)絡中的PF表示在腦 中出現(xiàn)的事件的屬性或者組成部分。 C中PF表示事件的全體。外部的信息經(jīng)過感覺系統(tǒng)的預處理后進入大腦皮層 A, B區(qū)。然后到達CA3區(qū)，CA3為聯(lián)想記憶神

13、經(jīng)網(wǎng)絡，它將事件的各個組成部分聯(lián)結(jié)起來，并保留個部分的特殊表示。CAi為競爭網(wǎng)絡，僅僅代表一個PF,它代表事彳的整體。CA輸出到大腦皮層，并在C中出現(xiàn)新的PF,它是整個事件在皮層的表示。當A(B)中PF出現(xiàn)時，隨機的使CA3 中的某一個PF被激活，由于LTP效應，使此兩區(qū)的PF之間建立了相對穩(wěn)定的聯(lián) 系。而在LTP隨時間衰減后，這一個PF才可能與其他A(B)中PF建立聯(lián)系；因 而又在不同時間內(nèi)可以和皮層中多個 PF建立聯(lián)系。這就使得海馬中有限的神經(jīng) 元可以暫時存儲由皮層表示的大量事實。該模型中，用向量 Xa, Xb, Xc, X1,X3分別表示在A, B, C, CA1, CA3各神經(jīng)網(wǎng)絡中的

14、PF。8,腦機接口(brain-compute門nterface,簡稱 BCI)技術概述：BCI是一種連接大腦和外部設備的實時通信系統(tǒng)，它可以把大腦發(fā)出的信 息直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動外部設備的命令，并代替人的肢體或語言器官實現(xiàn)人與外 界的交流以及對外部環(huán)境的控制。BCI的基本結(jié)構：控制器設備普BCI基本工作原理：(1)信號采集：受試者頭部戴上一個電極帽，采集 EEG®號，經(jīng)過處理之后轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號存儲于計算機中。(2)信號分析：包括信號處理、特征提取、模式識別、分類?？刂破鳎簩⒁逊诸惖男盘栟D(zhuǎn)換為實際的動作，如在顯示器上的光標移動、機 械手運動、字母輸入、控制輪椅、開電視等。9, M-P

15、模型(神經(jīng)元模型)神經(jīng)元，又稱神經(jīng)細胞，是構成神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構和功能的基本單位。神經(jīng)元是具 有長突起的細胞，它由細胞體、樹突、軸突和突觸 4部分組成M-P模型，其實是按照生物神經(jīng)元的結(jié)構和工作原理構造出來的一個抽象和簡 化了的模型。簡單說，它是對一個生物神經(jīng)元的建模。神經(jīng)元的信息是寬度和幅度都相同的 脈沖申，若某個神經(jīng)細胞興奮，其軸突輸 出的脈沖用的頻率就高；若某個神經(jīng)細胞抑制，其軸突輸出的脈沖用的頻率就低， 甚至無脈沖輸出。因此，突觸可以分為興奮性和抑制性兩種， 興奮性的突觸可能 引起下一個神經(jīng)細胞興奮，抑制性的突觸使下一個神經(jīng)細胞抑制。 脈沖的傳遞是 正向的，不允許逆向傳播。另外，突觸傳遞信息

16、需要一定的 延遲。綜上所述，我們可以概括出生物神經(jīng)網(wǎng)絡的假定特點：1 ,每個神經(jīng)元都是一個多輸入單輸出的信息處理單元；2 ,神經(jīng)元輸入分興奮性輸入和抑制性輸入兩種類型；3 ,神經(jīng)元具有空間整合特性和閾值特性；4 ,神經(jīng)元輸入與輸出間有固定的 時滯，主要取決于突觸延擱因此，按照生物神經(jīng)元，我們建立 M-P模型。我們忽略如時間整合作用、不應 期等復雜因素，并把神經(jīng)元的突觸時延和強度當成常數(shù)， 且假設神經(jīng)元只處于靜 息和動作電位兩種狀態(tài)。如下就是一個 M-P模型的示意圖。心我們將這個模型和生物神經(jīng)元的特性列表來比較：生物種經(jīng)元與MP模型生物神經(jīng)元 神經(jīng)元輸入信號 權值輸山,電和 聯(lián)電位 網(wǎng)依MP模型

17、 jAi 助j %£ I：晨辦M 4結(jié)合M-P模型示意圖來看，對于某一個神經(jīng)元j ,它可能接受同時接受了許多個輸入信號，用Xi表示，前面說過，由于生物神經(jīng)元具有不同的突觸性質(zhì)和 突觸強度，所以對神經(jīng)的影響不同，我們用權值coij來表示，其正負模擬了生物神經(jīng)元中突出的興奮和抑制，具大小則代表了突出的不同連接強度。由于累加性，我們對全部輸入信號進行累加整合，相當于生物神經(jīng)元中的膜電位，其值就為n / net j (t)wij xi(t)(1)i 1神經(jīng)元激活與否取決于某一閾值電平，即只有當其輸入總和超過閾值 Tj時， 神經(jīng)元才被激活而發(fā)放脈沖，否則神經(jīng)元不會發(fā)生輸出信號。整個過程可以用下

18、 面這個函數(shù)來表示：nOj(t 1) f Wij Xi(t) Tj n i . 一 一 1 netj(t) Tj 1 (x) =,0 net j (t) Tj由此我們可以得到總結(jié)出M-P模型的6個特點：每個神經(jīng)元都是一個多輸入單輸出的信息處理單元；神經(jīng)元輸入分興奮性輸入和抑制性輸入兩種類型； 神經(jīng)元具有空間整合特性和閾值特性；神經(jīng)元輸入與輸出間有固定的 時滯，主要取決于突觸延擱；忽略時間整合作用和不應期；神經(jīng)元本身是非時變的，即其突觸時延和突觸強度均為常數(shù)。前面4點和生物神經(jīng)元保持一致。結(jié)合公式(2)來看，公式(2)中的輸入xi的下標 i=1,2,，n,輸出Oj的下標j體現(xiàn)了第1個特點“多輸入單輸出"；權重值coij 的正負體現(xiàn)了第2個特點中“突觸的興奮與抑制” ；Tj代表第3個特點中的閾值， 當net ' j (t) - Tj>