Tehisneuron

Tehisneuron on matemaatiline funktsioon, mis on ehitatud mudelina bioloogiliste neuronite baasil. Tehisneuron on tehisnärvivõrkude töötluselement, millel on üks või rohkem sisendit ja üks väljund. Neuron töötleb sisendeid teatud funktsiooni järgi ning väljastab vastuse, mis võib olla teiste neuronite sisendiks. Bioloogiliseks paralleeliks väljundile on mööda aksonit liikuv närviimpulss. Sisendid on tavaliselt kaalutud ning neid töötlevaks funktsiooniks tehisneuronis on mõni mittelineaarne funktsioon, mida nimetatakse ka aktivatsiooni- või ülekandefunktsiooniks. Aktivatsioonifunktsioonideks on tavaliselt sigmoidifunktsioonid, aga nende asemel kasutatakse ka teisi mittelineaarseid funktsioone. Enamasti on käsitletavad funktsioonid piiritletud, monotoonsed ning diferentseeritavad.

Tehisneuroneid ei tohiks segi ajada bioloogilise neuroni mudeliga. Mõlemad on tuletatud bioloogilise neuroni järgi, aga tehisneuron ja tehisnärvivõrgud on ajaga oma kuju võtnud. Mõni keerulisem tehisnärvivõrk ei oma enam suurt sarnasust bioloogilisele närvisüsteemile, sest nende eesmärk ei ole bioloogiliste efektide uurimine vaid nende matemaatilise rakenduse kasutamine väga erinevates probleemides, mille jaoks võib bioloogiline täpsus olla kulukam ja ebatäpsem. Bioloogilise mudeli eesmärgiks on uurida neuroneid ja närvisüsteemi võimalikult sarnaselt reaalsusele, et bioloogilistest ajuprotsessidest paremini aru saada.

Üldine struktuur

Sisendid, kaalud, väljund

Olgu tehisneuronil $m+1$ sisendit vastavalt signaalidega $x_{0}$ kuni $x_{m}$ ning kaaludega $w_{0}$ kuni $w_{m}$. Tihti antakse sisendile $x_{0}$ väärtus +1, mis teeb sellest vabaliikme kaaluga $w_{k0}=b_{k}$. See tähendab, et tegelikeks sisenditeks on signaalid $x_{1}$ kuni $x_{m}$.

Neuroni väljundiks on funktsiooni väärtus:

$$y_{k}=\varphi {\Bigl (}\textstyle \sum _{j=0}^{m}\displaystyle w_{kj}x_{j}{\Bigr )}$$

Kus $\varphi$(fii) on aktivatsioonifunktsioon.

Bioloogiline paralleel väljundile on neuroni akson. Enamasti kasutatakse tehisneuroneid osana suuremast tehisnärvivõrgust ning sel juhul kantakse iga neuroni väljund edasi järgmise kihi sisendiks nagu bioloogilises neuronis liigub närviimpulss mööda aksonit läbi sünapsi teise neuroni dendriiti. Kui signaali kuskile edasi kanda ei ole, siis väljub see süsteemist.

Bioloogilised mudelid

Tehisneuronid põhinevad bioloogilistel neuronitel ja seega on võimalik tuua paralleele iga tehisnärvi osa kohta.

Tüüpilise neuroni ehk närviraku ehitus

• Dendriidid – bioloogilistes neuronites käituvad dendriidid sisendvektoritena. Ülal toodud valemis representeerivad neid sisendid x₀ kuni x_m . Ühte neuronisse saab siseneda tuhandeid dendriite (igale dendriidile vastab ainule üks ja ainus naaberneuron). Igal bioloogilisel dendriidil on olemad ka kaalud (w₀ kuni w_m), mis näitavad, kui palju selle dendriidiga seotud naaberneuroni närviimpulss vaadeldava neuroni membraanipotentsiaali muudab. Bioloogiliselt toimib see sünapsis proportsionaalselt neurotransmitterite saatmisega rakukehasse, kus otsustatakse, kas antud signaal on inhibeeriv või võimendav (vastavalt neurotransmitterile).
• Rakukeha (soom) – rakukeha töötab nagu summa sümbol üleval toodud funktsioonis. Igast dendriidist tuleb kas positiivne või negatiivne (võimendav või inhibeeriv) signaal: positiivsed ja negatiivsed ioonid segatakse rakukehas lahuses.
• Akson –  akson saab signaali rakukehalt. Akson mõõdab rakukehas tekkinud elektrilist potentsiaali ning teatud potentsiaali ületamisel saadab akson signaali järgmisesse neuronisse.