Biologická analogie

Koncept umělých neuronových sítí byl v minulosti inspirován a vytvářen na základě biologické analogie s nervovým systémem.  Nervový systém můžeme rozdělit v nejjednodušší podobě na centrální nervový systém, který představuje mozek a míchu a periferní nervový systém představovaný zejména periferními nervy. Hlavním posláním CNS je řídit organismus, zpracovávat signály (vzruchy), které se do CNS šíří ze smyslových receptorů dostředivými drahami a vydat na základě vyhodnocení tohoto signálu pokyn, který se opět šíří ve formě signálu odstředivými neuronovými drahami směrem k efektorům, například svalům. V této aktivní dynamice lze zde tedy vypozorovat existenci vstupní informace, její zpracování procesní jednotkou CNS a následné generování výstupu CNS, který je dále využit efektorem, například pro pohyb ruky při hodu míčem na cíl. Co se stane, pokud cíl při hodu mineme?  Máme možnost vzniklou situaci pomocí receptorů (např. visuelně) znova vyhodnotit a v případě, že cíl například přehodíme, pokus korigovat a opakovat jej s menší intenzitou hodu. Zjistili jsme tedy odchylku od požadovaného ideálního stavu na výstupu a na základě zpětné vazby trénujeme náš nervový systém tak, aby byl schopen danou úlohu plnit co nejlépe. Člověk tedy získává prostřednictvím svého nervového systému i schopnost učit se a zapamatovat si získané informace.

Celý nervový systém člověka je představován obrovským počtem navzájem provázaných biologických funkčních jednotek, neuronů. Například mozek obsahuje až 10¹¹ neuronů, kde každý neuron může mít až 5000 spojů s ostatními neurony. Tyto spoje, synapse, mohou mít jak excitační (budící), tak inhibiční (tlumící) charakter, mohou tedy vést k posílení, či potlačení odezvy neuronu na přicházející podněty, vzruchy.

Obr. 1. Biologický neuron

Pokud se opět přidržíme zjednodušujícího popisu biologického neuronu, který nás má dovést k jeho matematickému modelu, můžeme konstatovat, že každý biologický neuron se skládá z těla a dvou typů výběžků, dendritů a axonu. Dendrity představují z pohledu šíření vzruchu vstupy do těla neuronu, kterými přichází signály (vzruchy) z okolních neuronů. Jedná se o plastické spoje, které mají schopnost větvení, prodlužování, zmnožení. Předpokládá se, že plasticita dendritů představuje podklad dlouhodobé paměti. Axon představuje výstup neuronu, kterým se šíří vzruch z těla neuronu a který je pomocí synapsí napojen na dendrity neuronů dalších.

Umělé neuronové sítě byly ve svých počátcích inspirovány biologickou analogií, nicméně po ustavení základních technických konceptů probíhal jejich rozvoj zcela samostatně, již bez přímé vazby na původní motivaci. Matematická reprezentace a modely umělých neuronových sítí jsou tedy oproti známé biologické realitě pouze velmi zjednodušenými modely, navíc často poměrně vzdálenými.