Prof. Dr. Helder Anibal Hermini
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.
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.
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.
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).
Imagem de um Neurônio Obtida por microscopia eletrônica
1– Corpo Celular
2 – Membrana Neuronal
3 – Dendritos
4 - Axônio
5 – Terminal Nervoso pré-sinático
Tipos de Neurônios
Associação
Motores
Sensores
Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano
Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano
Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano
Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano
Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano
Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano
Estrutura Anatômica do Sistema Nervoso Humano
Sistema Nervoso
SISTEMA NERVOSO
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
central
Distribuição dos neurônios no cérebro
• Num milímetro cúbico de tecido do córtex, existem aproximadamente
105 neurônios e 109 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.
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.
Camadas do Córtex
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
Funções dos neurônios nas diversas camadas do córtex sensorial
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
– 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.
Funções dos neurônios nas diversas camadas do córtex sensorial
•
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Técnicas de Análise não invasivas
• 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.
TRANSMISSÃO DE SINAIS NOS
NEURÔNIOS E
SINAPSES
TRANSMISSÃO DE SINAIS NOS NEURÔNIOS
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 e sinapses
Fenda sináptica
Neurônio
pós-sináptico
Neurônio
pré-sináptico
Neurônio
pós-sináptico
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.
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+).
MECANISMOS BIOQUÍMICOS NOS NEURÔNIOS
NA TRANSMISSÃO DE SINAIS ATRAVÉS DO AXÔNIO
• 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
• 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.
ion
sp
s
ivo
t
i
os
ion
e
sn
g
s
ivo
t
a
an
br
em
m
Força de difusão
Força de difusão
Força eletrostática
a
• 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.
Fluido intracelular
(concentração relativa)
K+ 125
Na+ 12
Cl- 5
A- 108
Fluido extracelular
K+ 5
Na+ 120
Cl- 125
A- 0
Modelo de Alan Hodgkin e Andrew Huxley
• Nesse modelo, a membrana comporta-se como um capacitor, carregado
por íons positivos ou negativos.
• As condutâncias gNa, gK e gL refletem a permeabilidade da membrana para
o sódio, potássio, e dispersão (leakage).
• Fazendo gNa 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 gK tornar-se maior que gNa a polaridade volta para o
valor original.
Capacitância
da membrana
gNa
gK
gL
VNa
VK
VL
Cm
• 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.
Exterior da célula
Na+
Na+
Na+
Membrana
celular
Canal fechado
Canal aberto
Canal fechado
Interior da célula
Tempo = 1
Tempo = 2
Tempo = 3
• 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 automembrana
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
Íons de potássio
considerável do consumo de
energia do sistema nervoso.
Exterior da célula
Íons de sódio
Bomba
de íons
Interior da célula
•
•
•
•
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 resistorcapacitor com constante de tempo RC. Em neurônios, 2.4 ms é um valor típico
para essa constante de tempo.
deslocamento
Potencial de ação
+40
K+
sai
mV
+20
0
-20
-40
Na+
entra
x
Bomba
de íons
-60
-80
2ms
Propagação do potencial de ação
direção da onda
potencial de repouso
Exterior do axônio
K+
+++++
Na+
Interior do axônio
(a) propagação da onda
no axônio
K+
+++++
Na+
(b) uma onda seguida de
outra
K+
+++++
Na+
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
Vesícula sináptica
Célula
pré-sináptica
neurotransmissor
sinapse
fenda sináptica
membrana pos-sináptica
Célula pós-sináptica
Bioquímica da sinapse
• 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.
acetilcolina
vesícula ativada
Célula pre-sináptica
fenda sináptica
membrana
Célula pós-sináptica
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.