Não là tổ chức vật chất cao cấp, có cấu tạo vô cùng phức tạp, dày đặc các mối liên kết giữa các nơron nhƣng xử lý thông tin rất linh hoạt trong một môi trƣờng bất định. Phỏng theo mô hình sinh học, đặc biệt là phỏng theo mô hình thần kinh của con ngƣời là một ƣớc muốn từ lâu của nhân loại. Với khoảng 15 tỷ nơron thần kinh ở não ngƣời, mỗi nơron có thể nhận hàng vạn tín hiệu khác nhau từ các khớp thần kinh và đƣợc coi là một cơ chế sinh học phức tạp nhất. Não ngƣời có khả năng giải quyết những vấn đề phức tạp nhƣ: nghe, nhìn, nói, hồi ức thông tin, phân biệt các mẫu mặc dù dữ kiệu bị méo mó thiếu hụt. Não thực hiện những nhiệm vụ nhƣ vậy bởi những phần tử tính (gọi là nơron). Não phân bố việc xử lý cho hàng tỷ nơron có liên quan, điều khiển các liên lạc giữa các nơron đó. Nơron không ngừng nhận và truyền thông tin lẫn nhau. Những cơ chế hoạt động của nơron bao gồm: Tự liên kết (association), tổng quát hoá (generalization) và tự tổ chức (self- organization). Các nơron liên kết với nhau thành mạng bao gồm hàng vạn phần tử. Mỗi phần tử nơron có khả năng liên kết với hàng nghìn phần tử nơron khác. Trên
Hình 3. 1 mô tả một nơron sinh học.
Hình 3. 1.Cấu tạo của một nơron sinh học Khớp thần kinh hạn chế
(Synapse)
Nhánh thần kinh (dendrite) Thân nơron (Soma)
Khớp thần kinh kích thích (synapse) Khớp đầu ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong hơn 10 tỷ tế bào thần kinh của ngƣời, mỗi tế bào đƣợc phân biệt nhau bởi hình thù, khả năng thu phát và tổng hợp tín hiệu. Hầu hết các nơron của hệ thần kinh trung ƣơng có rất nhiều nhánh (tức có cấu trúc phân bổ trong không gian) để thu thập và xử lý tín hiệu. Về hình thù nơron có ba loại chính:
- Tế bào nơron hình tháp thuộc khu vỏ não. - Tế bào nơron dạng tổ ong ở tiểu não.
- Tế bào nơron chuyển động thƣờng thấy ở cột sống (dạng rễ cây).
Các nơron đều có cấu trúc và nguyên lý hoạt động chung nhất. Từ các tính chất chung đó, chúng ta có thể mô tả chúng nhƣ một nơron chuẩn. Một tế bào nơron chứa đựng các thành phần cơ bản sau:
- Thân nơron đƣợc giới hạn trong một màng membran và trong cùng là nhân. Từ thân nơron có rất nhiều đƣờng rẽ nhánh tạm gọi là rễ.
- “Bus” liên kết nơron này với các nơron khác đƣợc gọi là axon, trên axon có các đƣờng rẽ nhánh. Nơron còn có thể liên kết với các nơron khác qua các rễ. Chính vì cách liên kết đa dạng nhƣ vậy nên mạng nơron có độ liên kết rất cao.
- Các rễ của nơron đƣợc chia thành hai loại: loại nhận thông tin từ nơron khác qua axon, mà ta sẽ gọi là rễ đầu vào và loại đƣa thông tin qua axon đến các nơron khác, gọi là rễ đầu ra.
Một nơron có thể có nhiều rễ đầu vào, nhƣng chỉ có một rễ đầu ra. Nhƣ thế, nếu xem nơron nhƣ một khâu điều khiển thì đó chính là khâu có nhiều đầu vào, một đầu ra.
Quá trình hoạt động của một nơron là quá trình điện hoá tự nhiên. ở trạng thái cân bằng (trạng thái tĩnh) điện áp của màng membran khoảng -75mV. Khi có tác động từ bên ngoài vào nơron (mức điện áp kích thích khoảng 35mV), trong tế bào nơron xảy ra hàng loạt các phản ứng hoá học tạo thành lực tác động làm nơron bị kích thích hoàn toàn (bốc cháy). Thế năng sinh ra khi nơron ở trạng thái bị kích thích hoàn toàn này chỉ tồn tại trong khoảng vài miligiây sau đó nơron lại trở về
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trạng thái cân bằng cũ. Thế năng này đƣợc truyền vào mạng qua axon và có khả năng kích thích hoặc kìm hãm tự nhiên các nơron khác trong mạng. Một nơron sẽ ở trạng thái kích thích khi tại đầu vào xuất hiện một tín hiệu tác động vƣợt qua ngƣỡng cân bằng của nơron.
Một tính chất cơ bản của mạng nơron sinh học là các đáp ứng theo kích thích có khả năng thay đổi theo thời gian. Các đáp ứng có thể tăng lên hoặc giảm đi hoặc hoàn toàn biến mất. Qua các nhánh axon liên kết các tế bào nơron này với các nơron khác, sự thay đổi trạng thái của nơron cũng kéo theo sự thay đổi trạng thái của các nơron khác và do đó là sự thay đổi của toàn bộ mạng nơron. Việc thay đổi trạng thái của mạng nơron có thể thực hiện qua một quá trình dạy hoặc do khả năng học tự nhiên.