Redes Neuronales Artificiales: Una Introducción

AutoresProf. Néstor V. Queipo, Ph.D.

Prof. Daniel Finol, M.Sc.Ing. Efraín Nava, M.Sc.

Programa de Investigación en Neurociencias CognitivasDoctorado de Ciencias Humanas

Facultad de Humanidades y Educación 18 de Septiembre de 2009Seminario

Contenido• Neurociencias cognitivas: objetivo central

– ¿Qué es? – objetivos general y específicos

– ¿Cómo? – métodos y herramientas

• Paradigmas: cognitivismo y conexionismo• Redes neuronales computacionales

– Definiciones básicas

– Problemas de interés

– Aplicaciones

– Tipos de redes neuronales

• Modelo clásico: perceptrón multicapa – El perceptrón

– Arquitectura

– Algoritmo de aprendizaje

– Ejemplo de aplicación

• Tópicos de investigación

Neurociencia CognitivaDefinición

Es una rama de la psicología y la neurociencia que estudia las bases neurales de procesos mentales, tales como el aprendizaje y la memoria1

1 Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Cognitive_neuroscience.

Neurociencia CognitivaObjetivo General

“…descubrir las capacidades representacionales y computacionales de la mente y su correspondencia estructural y funcional en el cerebro” 2

2 Fuente: Sloan Foundation. “Cognitive Science”, 1978. Informe del State of the Art Committee, New York

Neurociencia CognitivaObjetivos Específicos

3

• Descubrir características globales de la arquitectura funcional del sistema cognitivo

• Localizar en el cerebro los módulos individuales de dicha arquitectura

• Identificar bases neuronales de fenómenos psico-cognitivos específicos

3 Fuente: Harold E. Pashler, John Wixted (eds.) Steven's Handbook of Experimental Psychology, Volume 4, Methodology in Experimental Psychology , 2002

Neurociencia CognitivaFenómenos psico-cognitivos

4

• La atención• La conciencia• Aprendizaje• Toma de decisiones• Memoria • Adicción• Neurona espejo• Ceguera al cambio (change blindness)

4 Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Cognitive_neuroscience.

Neurociencia CognitivaMétodos

• Experimentos de Comportamiento– Tiempo de reacción– Respuestas psicofísicas– Seguimiento de ojos

• Imágenes Neurocerebrales

Método Tipo Invasivo Prop. cerebral usada

EEG Registro No-invasivo EléctricaSingle-cell (and multi-unit) registros Registro Invasivo Eléctrica

TMS Estimulación No-invasivo ElectromagnéticaMEG Registro No-invasivo MagnéticaPET Registro Invasivo Hemodinámica

fMRI Registro No-invasivo Hemodinámica

Neurociencia CognitivaMétodos

• Métodos Neurobiológicos– Registro de célula única:– Estimulación directa del cerebro– Modelos Animales– Estudios Postmortem

• Modelado ComputacionalPor ejemplo:• Modelos Simbólicos - Cognitivismo (e.g.,

Sistemas expertos basados en reglas)• Modelos Sub-simbólicos - Conexionismo (Redes

Neuronales)

Cognitivismo Ideas Centrales

• Analogía Mente – Computador: Ve la mente como un sistema de procesamiento de información

• Abstracción de los procesos menta-les del soporte y/o mecanismo físicoen el que se ejecutan

Neurociencia Cognitiva

• Habilidades mentales de alto nivel (e.g., deducción lógica) pueden ser modeladas como sistemas de manipulación de símbolos siguiendo reglas lógicas (representación formal del conocimiento)

Cognitivismo Ideas Centrales

Neurociencia Cognitiva

• Sólo adecuado para aspectos lógico-formales del pensamiento

• Dificultad para modelar la alta complejidad y plasticidad de la mente

• Los modelos no son biológicamente plausibles

Cognitivismo Limitaciones

Neurociencia Cognitiva

Conexionismo Ideas Centrales

• Supone que las funciones mentales, pueden llevarse a cabo sin necesidad de un planificación central ni reglas explícitas de alto nivel

• Alternativamente, supone que las funciones mentales emergen de la interacción masiva de elementos simples (redes neuronales)

• Aunque no sean un análogo exacto/detallado de cómo funcionan las redes neuronales biológicas, son biológicamente plausibles

Neurociencia Cognitiva

NQ:Al tener una inspiración biológica, las redes neuronales ofrecen la expectativa de mejorar la comprensión de los procesos responsables de las funciones mentales

NQ:Al tener una inspiración biológica, las redes neuronales ofrecen la expectativa de mejorar la comprensión de los procesos responsables de las funciones mentales

Conexionismo Ideas Centrales

• El conocimiento no es representado ni simbólica ni explícitamente, la ‘representación’ es distribuida, consiste en la configuración de las interconexiones. El aprendizaje corresponde al proceso de ajuste de estas interconexiones

Neurociencia Cognitiva

Conexionismo Ideas Centrales

• Las funciones mentales modeladas no encuentran su explicación a partir de un componente singular y separado del sistema, sino como el producto de la cooperación de componentes inter-actuantes

• Mientras el cognitivismo modela la mente como un computador, el conexionismo se propone modelar en el computador características del funcionamiento del cerebro. Las Redes Neuronales Artificiales se corresponden con este paradigma

Neurociencia Cognitiva

Neurociencia Cognitiva Tópicos de investigación

• Áreas de investigaciónSpiking neuronsVisual and auditory cortexNeural encoding and decodingPlasticity and adaptationBrain imagingLearning and memoryInference and reasoningPerception, emotion and developmentAttractor and associative memoryNeurodynamics and complex systems

• Grupos de trabajo• Eventos de interés

Información de contacto

Instituto de Cálculo Aplicado

Facultad de Ingeniería

Universidad del Zulia

{nqueipo, dfinol, enava}@ica.luz.ve

Tele-fax: (0261) 7598411