腦與認(rèn)知科學(xué)期末考試

1、腦與認(rèn)知復(fù)習(xí)參考資料一，名詞解釋（4個(gè)，每個(gè)8分）1，智能：智能是知識(shí)和智力的總和，其中知識(shí)是一切行為的基礎(chǔ)，而智力是獲取知識(shí)并運(yùn)用知識(shí)求解問題的能力，是頭腦中思維活動(dòng)的具體體現(xiàn)。2，自然智能：又稱為人類智能，就是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的才智和本領(lǐng)，是人的智力和能力的總合。主要包括感知能力，思維能力，行為能力3個(gè)方面。3，人工智能：也稱機(jī)器智能。是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言

2、處理和專家系統(tǒng)等。 4，NBIC會(huì)聚技術(shù)：（Nano-Bio-Info-Cognition）是指當(dāng)前四個(gè)迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的協(xié)同和融合。這四個(gè)領(lǐng)域是納米科技(Nano-technology)，生物技術(shù)(Biotechnology,包括生物制藥及基因工程)，信息技術(shù)(Information Technology包括先進(jìn)計(jì)算機(jī)和通信)，認(rèn)知科學(xué)(Cognitive Science包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué))。5，神經(jīng)系統(tǒng)（NerVous Syatem）：由中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)兩大部分組成。其中腦和脊髓構(gòu)成中樞神經(jīng)系統(tǒng)，腦神經(jīng)，脊神經(jīng)和內(nèi)臟神經(jīng)系統(tǒng)組成周圍神經(jīng)系統(tǒng)。是機(jī)體內(nèi)起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)，它在維持

3、機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),保持機(jī)體內(nèi)完整統(tǒng)一性及其與外環(huán)境的協(xié)調(diào)平衡中起著主導(dǎo)作用。6，學(xué)習(xí)：由日常生活經(jīng)驗(yàn)引起的相對(duì)持久的行為變化。這個(gè)定義里不包括因?yàn)閯?dòng)機(jī)，疲勞，成熟，疾病，受傷或者藥物產(chǎn)生的暫時(shí)性的行為變化。7，快速眼動(dòng)睡眠（Rapid Eye Movement，REM）：是一個(gè)睡眠的階段，又稱快速眼動(dòng)睡眠。眼球在此階段時(shí)會(huì)快速移動(dòng)。在這個(gè)階段，大腦的神經(jīng)元的活動(dòng)與清醒的時(shí)候相同。多數(shù)在醒來后能夠回憶的栩栩如生的夢(mèng)都是在REM睡眠發(fā)生的。它是全部睡眠階段中最淺的，在REM睡眠時(shí)醒過來的人會(huì)不同于在其他睡眠階段的情形，而是充滿警覺心并且精神飽滿。8，失語(yǔ)癥：是指當(dāng)損壞了大腦中的布洛卡區(qū)或者威爾尼克區(qū)

4、時(shí)，語(yǔ)言能力受損的癥狀。比如布洛卡區(qū)受損傷的病人能夠閱讀和理解其他人的言語(yǔ)，但是自己說話和寫東西極為困難，威爾尼克區(qū)受損傷的病人會(huì)在對(duì)一些詞語(yǔ)的表達(dá)上有困難。9，意識(shí)：是人們對(duì)自身以及周圍世界感知的心理現(xiàn)象。人的意識(shí)總是處于不同的狀態(tài)，這與注意程度有關(guān)。10，人工大腦：人類以高超的智慧，通過科學(xué)技術(shù)造出的類似于人腦的智能機(jī)器腦袋。即是人工器官的一種，是人腦的模型，延伸和擴(kuò)展，是具有人腦的現(xiàn)象，行為和特性，功能的人造系統(tǒng)。11，人工器官：人工器官是用人工材料制成，能部分或全部代替人體自然器官功能的機(jī)械裝置，如人工腎，人工心肺等。12，海馬區(qū)：是幫助人類處理長(zhǎng)期學(xué)習(xí)與記憶聲光、味覺等事件的大腦區(qū)域

5、，發(fā)揮所謂的“敘述性記憶”功能。在醫(yī)學(xué)上，“海馬區(qū)”是大腦皮質(zhì)的一個(gè)內(nèi)褶區(qū)，在“側(cè)腦室”底部繞“脈絡(luò)膜裂”形成一弓形隆起，它由兩個(gè)扇形部分所組成，有時(shí)將兩 者合稱海馬結(jié)構(gòu)。13，Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：是一種神經(jīng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，具有穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，及存在著吸引子，因而Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶功能。14，短時(shí)記憶：短時(shí)記憶在瞬時(shí)記憶之后，是信息到達(dá)長(zhǎng)時(shí)記憶的中間環(huán)節(jié)或者過度環(huán)節(jié)，是記憶對(duì)信息加工處理的核心環(huán)節(jié)之一。15，記憶： 基本含義：學(xué)習(xí)過后，信息保持一段時(shí)間，并在一些特定的情景中提取出它們并加以運(yùn)用。認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為：記憶是對(duì)輸入信息的編碼，存儲(chǔ)，并在一定條件下進(jìn)行檢索和提取的過程

6、。記憶包含三個(gè)階段：編碼，存儲(chǔ)和提取。黑箱方法：16，認(rèn)知：在心理學(xué)中是指通過形成概念、知覺、判斷或想象等心理活動(dòng)來獲取知識(shí)的過程，即個(gè)體思維進(jìn)行信息處理的心理功能。認(rèn)知過程可以是自然的或人造的、有意識(shí)或無意識(shí)。17，黑想方法：所謂黑箱方法，就是通過考察系統(tǒng)的輸入、輸出及其動(dòng)態(tài)過程，而不通過直接考察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來定量或定性地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的功能特性、行為方式，以及探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的一種控制論認(rèn)識(shí)方法?！昂谙洹敝竷?nèi)部構(gòu)造和機(jī)理不能直接觀察的事物或系統(tǒng)。黑箱方法注重整體和功能，兼有抽象方法和模型方法的特征。二，簡(jiǎn)答（簡(jiǎn)答。3個(gè)每個(gè)10分;論述。1個(gè)，18分）1,認(rèn)知科學(xué)的研究對(duì)象 腦科學(xué)的研究對(duì)象是

7、腦的結(jié)構(gòu)和功能。認(rèn)知科學(xué)的研究對(duì)象是人類認(rèn)知過程（知覺、注意、記憶、學(xué)習(xí)、思維、情緒、意識(shí)等情智活動(dòng)）。2,人類大腦的三大組成部分和其功能 一般認(rèn)為，人的大腦有三個(gè)區(qū)域：大腦皮層，大腦邊緣系統(tǒng)和腦干。 大腦皮層是大腦的一個(gè)解剖結(jié)構(gòu)。大腦皮層是端腦的一部分，屬于腦和整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)演化史上最為晚出現(xiàn)、功能上最為高級(jí)的一部分。大腦皮層包括視覺和聽覺皮質(zhì)，皮質(zhì)層完成大多數(shù)的感知處理過程。大腦皮層功能是：維持人的高級(jí)認(rèn)知功能，比如語(yǔ)言、決策、學(xué)習(xí)、抽象思維、情感等；與軀體感覺，空間信息處理，視覺信息和體感信息的整合有關(guān)；與人的聽覺，嗅覺，語(yǔ)言理解；與人的視覺處理獎(jiǎng)勵(lì)學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)。 大腦邊緣系統(tǒng)組成：邊緣

8、葉和相關(guān)的皮質(zhì)及皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)。功能是：1、與內(nèi)臟活動(dòng)有關(guān)，如進(jìn)食等。2、與個(gè)體生存和種族延續(xù)有關(guān)。3、與情緒、精神、記憶等高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)。 腦干（brainstem）是位于脊髓和間腦之間的較小部分，位于大腦的下面，腦干的延髓部分下連脊髓。腦干的功能主要是維持個(gè)體生命，包括心跳、呼吸、消化等重要生理功能，均與腦干的功能有關(guān)。 3,左腦和右腦的功能對(duì)比分析(要求做到分析，文字性的論述) 左腦的功能：左腦除了操作者右半身的運(yùn)動(dòng)外，還承擔(dān)著語(yǔ)言，倫理，邏輯等思維以及計(jì)算的任務(wù)。 右腦的功能：右腦除了擔(dān)當(dāng)支配左半身的行動(dòng)，還與音樂，繪圖以及形象的形成，主體的認(rèn)識(shí)有關(guān)。 但是，隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)

9、到，大腦左右半球的分工并不是那么經(jīng)緯分明，功能的單側(cè)化只具有相對(duì)的意義，左右半腦既有相對(duì)的分工，又有密切的協(xié)作，人的許多重要的心里功能都需要左右半腦的密切協(xié)作才能完成。4,右腦開發(fā)的重要性 人的左腦主要從事邏輯性、條理性的思維；右腦主要從事形象思維，是創(chuàng)造力的源泉，是藝術(shù)和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的中樞，右腦的存儲(chǔ)量是左腦的1萬(wàn)倍。可是現(xiàn)實(shí)生活中95%的人，僅僅只使用了自己的左腦?？茖W(xué)家們指出，終其一生，大多數(shù)人只運(yùn)用了大腦的3%4%，其余的97%都蘊(yùn)藏在右腦的潛意識(shí)之中。所以，通過各種行之有效的方法開發(fā)右腦，才能不斷提高人的形象思維能力與創(chuàng)造性，因?yàn)樵趧?chuàng)造過程中，右腦的想象、知覺、思維、靈感等因素，是創(chuàng)造力

10、突破的關(guān)鍵。5,意識(shí)和潛意識(shí)如何相互轉(zhuǎn)換 意識(shí)：是人們對(duì)自身以及周圍世界感知的心理現(xiàn)象。人的意識(shí)總是處于不同的狀態(tài)，這與注意程度有關(guān)。由于不同的時(shí)間和空間內(nèi)注意程度不同，所以意識(shí)具有不同的層面。 潛意識(shí)：指隱藏在意識(shí)層面下的情感，欲望，恐懼等復(fù)雜經(jīng)驗(yàn)，因受意識(shí)的控制和抑制，致使個(gè)體不自覺知的意識(shí)。 二者區(qū)別：（1）意識(shí)可以被本人察覺，而潛意識(shí)不能。（2）意識(shí)是要用來控制非本能行為的，而潛意識(shí)一般只是對(duì)意識(shí)產(chǎn)生影響，或者讓你產(chǎn)生本能反應(yīng)。 意識(shí)用來控制復(fù)雜的后天行為的心理活動(dòng)，而潛意識(shí)用來喚醒意識(shí)或者維持一些本能反應(yīng)。意識(shí)可以被察覺而潛意識(shí)不能被察覺。當(dāng)人的某種行為的重復(fù)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，這個(gè)

11、行為已經(jīng)接近成為本能行為。這時(shí)，該行為的做出是由潛意識(shí)控制的，而不是意識(shí)。而當(dāng)潛意識(shí)感知到身體的某些反應(yīng)時(shí)，會(huì)喚醒意識(shí)，然后執(zhí)行人在后天形成的行為。6,人工大腦的分類 按照人工大腦的實(shí)現(xiàn)方式可以分為：類似生命的模型人工大腦和社會(huì)模型人工大腦；按照人工大腦的構(gòu)造方法和技術(shù)可以分為：生物人工腦，工程人工腦，生物工程人工腦；按照人工大腦的工程實(shí)現(xiàn)方法可以分為：基于神經(jīng)工程的人工大腦，基于AI的人工大腦和基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的人工大腦。7,海馬記憶功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模型框圖A，B，C表示三個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們組成兩級(jí)聯(lián)想記憶模型，其中A，B中的興奮模式表示不同的感覺事件，C是高級(jí)結(jié)構(gòu)，C中的興奮模式表示事件的全體

12、。和是相應(yīng)的海馬的不同部分。該模型中，用神經(jīng)興奮模式(PF)表示信息。在A和B神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的PF表示在腦中出現(xiàn)的事件的屬性或者組成部分。C中PF表示事件的全體。外部的信息經(jīng)過感覺系統(tǒng)的預(yù)處理后進(jìn)入大腦皮層A，B區(qū)。然后到達(dá)區(qū)，為聯(lián)想記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它將事件的各個(gè)組成部分聯(lián)結(jié)起來，并保留個(gè)部分的特殊表示。為競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)，僅僅代表一個(gè)PF，它代表事件的整體。輸出到大腦皮層，并在C中出現(xiàn)新的PF，它是整個(gè)事件在皮層的表示。當(dāng)A(B)中PF出現(xiàn)時(shí)，隨機(jī)的使中的某一個(gè)PF被激活，由于LTP效應(yīng)，使此兩區(qū)的PF之間建立了相對(duì)穩(wěn)定的聯(lián)系。而在LTP隨時(shí)間衰減后，這一個(gè)PF才可能與其他A(B)中PF建立聯(lián)系；因而又在

13、不同時(shí)間內(nèi)可以和皮層中多個(gè)PF建立聯(lián)系。這就使得海馬中有限的神經(jīng)元可以暫時(shí)存儲(chǔ)由皮層表示的大量事實(shí)。該模型中，用向量，分別表示在A，B，C，各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的PF。8,腦機(jī)接口(brain-computer interface，簡(jiǎn)稱BCI)技術(shù)概述：BCI是一種連接大腦和外部設(shè)備的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，它可以把大腦發(fā)出的信息直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的命令，并代替人的肢體或語(yǔ)言器官實(shí)現(xiàn)人與外界的交流以及對(duì)外部環(huán)境的控制。BCI的基本結(jié)構(gòu)：BCI基本工作原理：(1)信號(hào)采集：受試者頭部戴上一個(gè)電極帽，采集EEG信號(hào)，經(jīng)過處理之后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。(2)信號(hào)分析：包括信號(hào)處理、特征提取、模式識(shí)別、

14、分類。(3)控制器：將已分類的信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的動(dòng)作，如在顯示器上的光標(biāo)移動(dòng)、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)、字母輸入、控制輪椅、開電視等。9，M-P模型（神經(jīng)元模型） 神經(jīng)元，又稱神經(jīng)細(xì)胞，是構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。神經(jīng)元是具有長(zhǎng)突起的細(xì)胞，它由細(xì)胞體、樹突、軸突和突觸4部分組成 M-P模型，其實(shí)是按照生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和工作原理構(gòu)造出來的一個(gè)抽象和簡(jiǎn)化了的模型。簡(jiǎn)單說，它是對(duì)一個(gè)生物神經(jīng)元的建模。 神經(jīng)元的信息是寬度和幅度都相同的脈沖串，若某個(gè)神經(jīng)細(xì)胞興奮，其軸突輸出的脈沖串的頻率就高；若某個(gè)神經(jīng)細(xì)胞抑制，其軸突輸出的脈沖串的頻率就低，甚至無脈沖輸出。因此，突觸可以分為興奮性和抑制性兩種，興奮性的突觸可

15、能引起下一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞興奮，抑制性的突觸使下一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞抑制。脈沖的傳遞是正向的，不允許逆向傳播。另外，突觸傳遞信息需要一定的延遲。 綜上所述，我們可以概括出生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的假定特點(diǎn)： 1，每個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)多輸入單輸出的信息處理單元； 2，神經(jīng)元輸入分興奮性輸入和抑制性輸入兩種類型； 3，神經(jīng)元具有空間整合特性和閾值特性； 4，神經(jīng)元輸入與輸出間有固定的時(shí)滯，主要取決于突觸延擱 因此，按照生物神經(jīng)元，我們建立M-P模型。我們忽略如時(shí)間整合作用、不應(yīng)期等復(fù)雜因素，并把神經(jīng)元的突觸時(shí)延和強(qiáng)度當(dāng)成常數(shù)，且假設(shè)神經(jīng)元只處于靜息和動(dòng)作電位兩種狀態(tài)。如下就是一個(gè)M-P模型的示意圖。 我們將這個(gè)模型和生物神經(jīng)

16、元的特性列表來比較： 結(jié)合M-P模型示意圖來看，對(duì)于某一個(gè)神經(jīng)元j，它可能接受同時(shí)接受了許多個(gè)輸入信號(hào)，用i表示，前面說過，由于生物神經(jīng)元具有不同的突觸性質(zhì)和突觸強(qiáng)度，所以對(duì)神經(jīng)的影響不同，我們用權(quán)值ij來表示，其正負(fù)模擬了生物神經(jīng)元中突出的興奮和抑制，其大小則代表了突出的不同連接強(qiáng)度。由于累加性，我們對(duì)全部輸入信號(hào)進(jìn)行累加整合，相當(dāng)于生物神經(jīng)元中的膜電位，其值就為 （1） 神經(jīng)元激活與否取決于某一閾值電平，即只有當(dāng)其輸入總和超過閾值Tj時(shí)，神經(jīng)元才被激活而發(fā)放脈沖，否則神經(jīng)元不會(huì)發(fā)生輸出信號(hào)。整個(gè)過程可以用下面這個(gè)函數(shù)來表示： (x) = （2） 由此我們可以得到總結(jié)出M-P模型的6個(gè)特點(diǎn)：

17、1 每個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)多輸入單輸出的信息處理單元；2 神經(jīng)元輸入分興奮性輸入和抑制性輸入兩種類型；3 神經(jīng)元具有空間整合特性和閾值特性；4 神經(jīng)元輸入與輸出間有固定的時(shí)滯，主要取決于突觸延擱；5 忽略時(shí)間整合作用和不應(yīng)期；6 神經(jīng)元本身是非時(shí)變的，即其突觸時(shí)延和突觸強(qiáng)度均為常數(shù)。前面4點(diǎn)和生物神經(jīng)元保持一致。結(jié)合公式(2)來看，公式(2)中的輸入xi的下標(biāo)i=1,2,n，輸出的下標(biāo)j體現(xiàn)了第1個(gè)特點(diǎn)“多輸入單輸出”；權(quán)重值ij的正負(fù)體現(xiàn)了第2個(gè)特點(diǎn)中“突觸的興奮與抑制”；Tj代表第3個(gè)特點(diǎn)中的閾值，當(dāng)netj(t)Tj>0時(shí)，神經(jīng)元才能被激活。三，論述（1個(gè)，20分）1，基于雙目立體視覺系統(tǒng)的深度測(cè)量 一般的物體都是三維的，圖像卻是有關(guān)灰度，顏色等信息的陣列，3D的深度信息在一幅圖像上不能明顯的顯示出來，物體的深度信息不能通過單眼所獲得，而物體都是有著特定的形狀和邊界，所以物體的深度信息可以通過雙眼的觀察得到。雙目立體視覺三維測(cè)量是基于視差原理。雙目立體視覺三維測(cè)量是基于視差原理，下圖所示為簡(jiǎn)單的平視雙目立體成像原理圖 由上圖知道，兩攝像機(jī)的投影中心的連線的距離，即基線距為b，左右圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝像機(jī)光軸與平面的交點(diǎn)O1和O2?？臻g中某點(diǎn)P在左圖像和右圖像中相應(yīng)的坐標(biāo)分別為P1(u1,v1)和P2(u2,v