Redes Neurais

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Campus Curitiba
Redes Neurais
Prof. Myriam Delgado
PR
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Campus Curitiba
Redes Neurais
A1: Aspectos Biológicos
Parte deste material vem do orginal
das aulas da Prof. Neysa Regattieri
Sistema Nervoso
PR
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Campus Curitiba
PR
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Redes Neurais Artificiais x Sistema Nervoso
Redes Neurais Artificiais são técnicas computacionais que
adquirem conhecimento através da experiência
e cuja modelagem matemática tem inspiração no
funcionamento do sistema nervoso de organismos
inteligentes.
O sistema nervoso de organismos complexos é formado por
um conjunto de células especiais, os neurônios.
Os neurônios têm um papel essencial tanto na determinação
do funcionamento e comportamento do corpo humano,
quanto no raciocínio.
Myriam Delgado
Redes Neurais
Sistema Nervoso – neurônio
• Os neurônios são as células constituintes
básicas do sistema nervoso
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso
•
Sistema Nervoso Central
– Encéfalo
– Medula espinhal
•
Sistema Nervoso Periférico
- Nervos espinhais e cranianos
- Terminações nervosas
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
Sistema Nervoso
•
Sistema Nervoso Central
– Encéfalo
– Medula espinhal
•
Sistema Nervoso Periférico
- Nervos espinhais e cranianos
- Terminações nervosas
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
Sistema Nervoso
•
Sistema Nervoso Central
–
–
Encéfalo
Medula espinhal
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
SNC: Encéfalo
Myriam Delgado
Redes Neurais
Encéfalo (Cérebro) – corte transversal
Myriam Delgado
Redes Neurais
SNC: Medula espinhal
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
Medula espinhal – corte transversal
Massa
cinzenta
Massa
cinzenta
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso Central
A medula espinhal
tem a função de
conduzir impulsos
nervosos das
regiões do corpo até
o encéfalo, produzir
impulsos e
coordenar atividades
musculares e
reflexos.
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso Central
A medula espinhal
tem a função de
conduzir impulsos
nervosos das
regiões do corpo até
o encéfalo, produzir
impulsos e
coordenar atividades
musculares e
reflexos.
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso
•
Sistema Nervoso Central
– Encéfalo
– Medula espinhal
•
Sistema Nervoso Periférico
- Nervos espinhais e cranianos
- Terminações nervosas
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso Periférico
• Nervos cranianos e espinhais
Ex:
Trigêmeo
Ex: cervicais,
dorsais, lombares...
(mastigação)
• Terminações
nervosas
Myriam Delgado
Redes Neurais
Sistema Nervoso
•
Sistema Nervoso Central
– Encéfalo
– Medula espinhal
•
Sistema Nervoso Periférico
- Nervos espinhais e cranianos
- Terminações nervosas
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Encéfalo
• Cérebro
–
telencéfalo
– diencéfalo
• Cerebelo
• Tronco cerebral
–
mesencéfalo
–
–
ponte
bulbo
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Encéfalo
Cérebro
Cerebelo
Tronco Cerebral
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Encéfalo: cérebro
Diencéfalo: tálamo, hipotálamo,...
Cérebro
Myriam Delgado
Redes Neurais
Telencéfalo: hemisférios
Encéfalo: Telencéfalo
Telencéfalo: hemisférios
Myriam Delgado
Redes Neurais
Cerebelo
cvcv
cvcv
Myriam Delgado
Redes Neurais
Tronco Cerebral
Myriam Delgado
Redes Neurais
Sistema Nervoso – Estrutura Geral
• SN recebe informações (impulsos nervosos) dos
diferentes órgãos sensoriais e as integra para
determinar a resposta a ser executada
• Divisão Sensorial
– receptores sensoriais
• Divisão Motora
– efetores
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
Sistema Nervoso – Estrutura Geral
• SN recebe informações (impulsos nervosos) dos
diferentes órgãos sensoriais e as integra para
determinar a resposta a ser executada
• Divisão Sensorial
– receptores sensoriais
• Divisão Motora
– efetores
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
Divisão Sensorial
• Experiência sensorial derivada dos receptores
sensoriais (visuais, auditivos, etc..)
• Pode provocar
• Reação imediata (ação motora)
• Armazenamento (memória)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Divisão Sensorial
As informações
chegam ao SNC
pelos nervos
espinhais e são
conduzidas às áreas
sensoriais primárias
(medula, tronco
cerebral, cerebelo,
tálamo, córtex
cerebral)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso – Estrutura Geral
• SN recebe informações (impulsos nervosos) dos
diferentes órgãos sensoriais e as integra para
determinar a resposta a ser executada
• Divisão Sensorial
– receptores sensoriais
• Divisão Motora
– efetores
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
Divisão Motora
• Efetores
• Regulação das atividades corporais
– Contração dos músculos esqueléticos
– Contração dos músculos lisos
– Secreções glandulares
Estas atividades são chamadas “funções
motoras do SN” e os músculos e glândulas
são denominados efetores (executam as
funções ditadas pelos sinais nervosos)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais do SNC
• Nível Medular
• Cerebral Inferior
• Cerebral Superior ou Cortical
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais do SNC
• Nível Medular
• Cerebral Inferior
• Cerebral Superior ou Cortical
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais: Medular
• Via de transmissão de sinais
– Corpo para o cérebro
– Cérebro para o corpo
Os níveis superiores enviam ordens aos
centros medulares para executar funções
Exemplos de circuitos neuronais medulares
1. Andar
2. Sustentação do corpo
3. Movimentos gastrointestinais
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais do SNC
• Nível Medular
• Cerebral Inferior
• Cerebral Superior ou Cortical
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais: Cerebral Inferior
• Atividades subconscientes do cérebro
• Estruturas envolvidas:
– Diencéfalo
– Cerebelo
– Tronco cerebral
Exemplos:
Pressão arterial e respiração (bulbo e ponte)
Equilíbrio (cerebelo e tronco cerebral)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais do SNC
• Nível Medular
• Cerebral Inferior
• Cerebral Superior ou Cortical
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais:
Cerebral Superior (cortical)
• O córtex cerebral é um depósito grande de
memória.
• Funciona em associação com os centros
inferiores do SN.
• O córtex converte as
funções em operações
precisas e específicas.
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Níveis Funcionais: Superior x Inferior
• O nível cortical é essencial para a maior parte
dos processos de pensamento, porém são os
centros inferiores que produzem a vigília no
córtex cerebral, abrindo o banco de memória do
cérebro.
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso: recaptulando
•
Sistema Nervoso Central
Diencéfalo: tálamo, hipotálamo,...
Cérebro
–
Telencéfalo: hemisférios
Encéfalo
Cerebelo
Mesencéfalo
–
•
Medula espinhal
Tronco
cerebral
Ponte
Bulbo
Sistema Nervoso Periférico
SN Central:
SN Periférico:
Encéfalo
+
Medula Espinhal
Nervos
Cranianos e
Espinhais
+
Terminações
Neysa Regattieri - Sistema
Nervoso - RNA 0019- CPGEI
O Sistema Nervoso em um Ato Reflexo
Recebendo o estímulo:
Um órgão sensorial – como a pele - se
comunica com a medula espinhal por uma
raiz dorsal (sensitiva).
Respondendo ao estímulo:
A medula espinhal processa e se comunica
por uma raiz ventral (motora), com um com
um órgão efetor – como um músculo - que
executa uma resposta ao estímulo recebido.
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
ato reflexo: um órgão sensorial – pele, olhos,
ouvidos,... – ligado a neurônios sensoriais
ou aferentes que o comunicam com a medula
espinhal, no interior desta, fazem sinapse
com neurônios associativos que, por sua vez,
fazem sinapse com neurônios motores
ou eferentes cujos axônios saem da medula,
comunicando-a com um órgão efetor que
executa uma resposta ao estímulo recebido –
como músculos ou glândulas.
medula
SN: Estímulo - Resposta
Myriam Delgado
Redes Neurais
SN: Estímulo - Resposta
Myriam Delgado
Redes Neurais
Em certos arcos reflexos, existe neurônio
associativo da medula espinhal
comunicando-os com o encéfalo que é
capaz de modular a resposta motora,
permitindo-nos inibir um ato reflexo quando
percebemos que o fator de estímulo não nos
oferece risco
encéfalo
por exemplo
ao tomarmos uma injeção
medula
RNAs e Sistema Nervoso
• Os sistema nervoso apresenta diferentes
tipos de células neurais (neurônios)
• Sinapse: papel fundamental no
processamento da informação
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso – neurônio
• Os neurônios são as células constituintes
básicas do sistema nervoso
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Neurônios
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso – neurônio
• Os neurônios produzem e conduzem os
potenciais de ação (impulsos nervosos)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
RNAs e Sistema Nervoso
• Processamento da Informação
(Impulso Nervoso)
Myriam Delgado
Redes Neurais
Sistema Nervoso – Processamento
da Informação (i)
• O termo informação é aplicado ao SN,
significando uma variedade de aspectos
do corpo ou de suas áreas vizinhas:
• Conhecimento e Fatos
• Valores quantitativos
– Intensidade de dor
– Intensidade de luz
– temperatura
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sistema Nervoso – Processamento
da Informação (ii)
• A informação não pode ser transmitida na
sua forma original mas apenas como
impulsos nervosos
– Parte do corpo sujeita a dor
– Áreas específicas do encéfalo
convertem pensamentos
– Retina dos olhos converte visão
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Impulsos
nervosos
Sistema Nervoso - Processamento
da Informação (iii)
• Função Integrativa: Processar informação
sensorial para produzir respostas motoras
– 99% das informações sensoriais são eliminadas
• Exemplos: sensação da roupa no corpo,
pressão do assento,
ruídos
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sentido de propagação
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Propagação do Estímulo
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Propagação do Estímulo
• Neurônio em repouso
• Maior concentração de Na+ extracelular
• Maior concentração de K+ intracelular
• Despolarização
• Aumento da concentração de Na+ intracelular
• Repolarização
• Aumento da concentração de K+ extracelular
• Troca de carga
• Geração do Impulso nervoso
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Propagação do Estímulo
https://www.youtube.com/watch?v=2Kg0nvSpeXY
Sistema Nervoso – neurônio
• Os neurônios são capazes de transmitir a
sua excitação a outro neurônio através de
um ou vários pontos de contato (sinapses)
Sinapses:
junções interneuronais
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses no Processamento da
Informação
• Definição: ponto de contato entre um
neurônio e o seguinte, sendo o local
propício ao controle da transmissão de
sinais.
• As sinapses determinam as direções dos
sinais nervosos no SN
• Ação seletiva: alteram os sinais
transmitidos
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapse
Neurônio - Neurônio
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapse
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses no Processamento da
Informação
https://www.youtube.com/watch?v=WJaJS2iuI7c
Myriam Delgado
Redes Neurais
Sinapses (i)
• Tipos de sinapses no SNC
– Elétricas
– Químicas (maior parte)
Passagem
através de
neurotransmissores
passagem
direta
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (ii)
• Tipos de sinapses no SNC
– Elétricas
– Químicas (maior parte)
Passagem
através de
neurotransmissores
passagem
direta
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (ii)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri - Sistema Nervoso
Sinapses (iii)
• Condução nas sinapses químicas:
– Neurônio secretor (pré-sináptico)
– Neurônio em que o transmissor age
(pós-sináptico)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (iv)
• Neurotransmissores:
• substâncias químicas secretadas pelo
primeiro neurônio
– Os neurotransmissores agem sobre as
proteínas receptoras do neurônio seguinte
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Atuação dos Neurotransmissores
https://www.youtube.com/watch?v=2Kg0nvSpeXY
Sinapses (v)
• Os neurotransmissores podem:
– Excitar
– Inibir
– Modificar
sensibilidade do neurônio pós-sináptico
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (vi)
• Fisiologia :Terminais pré-sinápticos:
mitocôndrias (formam o ATP que é necessário para a
a síntese de novas substâncias transmissoras)
» vesículas sinápticas (contêm substância
transmissora que quando liberada na fenda sináptica
excita ou inibe os neurônios)
»
ATP é um nucleotídeo responsável pelo armazenamento
de energia em suas ligações químicas
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (vii)
• Potencial de ação invade um terminal présináptico, a despolarização da membrana
provoca o esvaziamento de pequeno
número de vesículas na fenda
O neurotransmissor liberado altera a permeabilidade da
membrana neuronal pós-sináptica que leva à excitação ou
inibição do neurônio dependendo de suas características
receptoras
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (viii)
• Neurotrasmissores -> neurônio póssináptico
• Membrana do neurônio pós-sináptico
contém grande quantidade de proteínas
receptoras que possuem canais iônicos
quimicamente ativados:
– Canais de sódio
– Canais de potássio
– Canais de cloro
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (ix)
• Substâncias transmissoras que abrem os
canais de sódio excitam o neurônio póssináptico
• Substâncias transmissoras que abrem os
canais de cloro e potássio inibem o
neurônio pós-sináptico
Neysa Regattieri –
Sistema Nervoso -
Sinapses (x)
Sinal que chega a um agrupamento neural
pode provocar
• Sinal excitatório em uma direção
• Sinal inibitório em outra direção
Exemplo:
• Sinal excitatório é transmitido por um conjunto de
neurônios na medula espinhal para causar
movimento de uma das pernas para a frente
• Sinal inibitório é transmitido (simultaneamente) por
outro conjunto de neurônios para inibir os
músculos dorsais da perna (para que não se
oponham ao movimento)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Sinapses (xi)
• Duração da ação do neurotransmissor
– Os canais iônicos quimicamente ativados
permanecem abertos por 1 ou 2 ms
Isto ocorre porque o agente trasmissor é
rapidamente removido da fenda sináptica
• Remoção do neurotransmissor
– Difusão do transmissor para fora da fenda
– Destruição enzimática na própria fenda
– Transportados ativamente para o terminal présináptico (reutilização) -> recaptação de
transmissores
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Memória x sinapse - facilitação
• Cada vez que um impulso sensorial
particular passa através de uma
sequência de sinapses, estas se tornam
mais capazes de transmitir o mesmo
impulso da próxima vez -> facilitação
• A participação da facilitação na memória é
um mecanismo pouco conhecido
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
Novas experiências x lembranças
• Os processos mentais no encéfalo comparam
as novas experiências sensoriais com as
lembranças armazenadas
• A memória ajuda a selecionar a informação
sensorial nova e a direciona
– para as áreas apropriadas de armazenamento
(com fins de emprego futuro)
– para as áreas motoras (respostas corporais
imediatas)
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
SN x Computador
• Circuitos de entrada-> parte sensitiva do SN
• Circuitos de saída -> parte motora
• modelos simples: saída depende entrada (semelhante
aos reflexos simples da medula espinhal)
• Modelos mais complexos: saída depende da entrada +
memória (semelhante ao sistema superior)
• Aumento na complexidade: acrescentar uma unidade
central de processamento (análoga ao mecanismo do
encéfalo permitindo dirigir atenção primeiro para um
pensamento ou sensação ou atividade motora, depois
para outro e assim por diante. Até que surjam
seqüências complexas de pensamento ou de ação.
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
SN -> RNAs
• Sistema Nervoso serviu como fonte de
inspiração para os modelos de
simulação
Redes Neurais
Artificiais
implementação
em hardware
Adaptado do original de
Neysa Regattieri – Sistema Nervoso
SN -> RNAs
• Neurônio biológico x Neurônio Artificial
Myriam Delgado
Redes Neurais
SN -> RNAs
• RN x RNA
conexões
conexões
Myriam Delgado
Redes Neurais
Cérebros Artificiais
• Realidade x Ficção
Myriam Delgado
Redes Neurais
Cérebros Artificiais
• É possível simular a conciência e emoções humanas?
Myriam Delgado
Redes Neurais
Cérebros Artificiais
http://www.artificialbrains.com/
• DigiCortex – simulador de RN biológica
• Vicarious – Tentativa de construir software que pensa
e aprende como a mente humana
• ....
• Stanford: “Simulating human consciousness and
emotion is still the realm of science fiction”
•
https://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects/neural-networks/Future/index.html
Myriam Delgado
Redes Neurais
Bibliografia
Charles Mayo Goss - Gray - Anatomia- 29 ediçãoGuanabara Koogan
Angelo Machado - Neuroanatomia FuncionalLivraria ATHENEU 1979
Peter Duus - Diagnóstico Topográfico em
Neurologia_ 4 edição Editora Cultura Médica
Harrison -Medicina Interna - MC Grawhill
15 edição
Netter The Ciba Collectin I Nervous System
Neysa Regattieri –
Sistema Nervoso -