Redes Neuronales

http://www.gc.ssr.upm.es/inves/neural/ann2/unsupmod/unsupmod.htm

Redes Neuronales de tipo Biológico

Se estima que el cerebro humano contiene más de cien mil millones de neuronas y sinápsis en el sistema nervioso humano. Estudios sobre la anatomía del cerebro humano concluyen que hay más de 1000 sinápsis a la entrada y a la salida de cada neurona. Es importante notar que aunque el tiempo de conmutación de la neurona ( unos pocos milisegundos) es casi un millón de veces menor que en las actuales elementos de las computadoras, ellas tienen una conectividad miles de veces superior que las actuales supercomputadoras.

El objetivo principal de las redes neuronales de tipo biológico es desarrollar un elemento sintético para verificar las hipótesis que conciernen a los sistemas biológicos.

Las neuronas y las conexiones entre ellas (sinápsis) constituyen la clave para el procesado de la información. Observe la figura:

La mayor parte de las neuronas poseen una estructura de árbol llamadas dendritas que reciben las señales de entrada que vienen de otras neuronas a través de la uniones llamadas sinápsis. Algunas neuronas se comunican solo con las cercanas, mientras que otras se conectan con miles.

Hay tres partes en una neurona:

1. el cuerpo de la neurona,

2. ramas de extensión llamadas dendrítas para recibir las entradas, y

3. un axón que lleva la salida de la neurona a las desdirías de otras neuronas.

La forma que dos neuronas interactuan no está totalmente conocida, dependiendo además de cada neurona. En general, una neurona envía su salida a otras por su axón. El axón lleva la información por medio de diferencias de potencial, u ondas de corriente, que depende del potencial de la neurona. Este proceso es a menudo modelado como una regla de propagación representada por la función de red u(.). La neurona recoge las señales por su sinápsis sumando todas las influencias excitadoras e inhibidoras. Si las influencias excitadoras positivas dominan, entonces la neurona da una señal positiva y manda este mensaje a otras neuronas por sus sinápsis de salida. En este sentido la neurona puede ser modelada como una simple función escalón f(.). Como se muestra en la próxima figura, la neurona se activa si la fuerza combinada de la señal de entrada es superior a un cierto nivel, en el caso general el valor de activación de la neurona viene dado por una función de activación f(.).

Redes Neuronales para aplicaciones concretas

Las ANNs dirigidas a aplicación están en general poco ligadas a las redes neuronales biológicas. Ya que el conocimiento que se posee sobre el sistema nervioso en general no es completo, se han de definir otras funcionalidades y estructuras de conexión distintas a las vistas desde la perspectiva biológica. Las características principales de este tipo de ANNs son los siguientes:

1. Auto Organización y Adaptatividad: utilizan algoritmos de aprendizaje adaptativo y auto organización, por lo que ofrecen posibilidades de procesado robusto y adaptativo (véase entrenamiento adaptativo y redes auto organizativas).

2. Procesado No Lineal: aumenta la capacidad de la red de aproximar, clasificar y su inmunidad frente al ruido.

3. Procesado paralelo: normalmente se usa un gran número de células de procesado por el alto nivel de interconectividad.

Estas características juegan un importante papel en las ANNs aplicadas al procesado de señal e imagen. Una red para una determinada aplicación presenta una arquitectura muy concreta, que comprende elementos de procesado adaptativo masivo paralelo combinadas con estructuras de interconexión de red jerárquica.

Taxonomía de las Redes Neuronales

Existen dos fases en toda aplicación de las redes neuronales: la fase de aprendizaje o entrenamiento y la fase de prueba. En la fase de entrenamiento, se usa un conjunto de datos o patrones de entrenamiento para determinar los pesos (parámetros de diseño) que definen el modelo neuronal. Una vez entrenado este modelo, se usará en la llamada fase de prueba o funcionamiento directo, en la que se procesan los patrones de prueba que constituyen la entrada habitual de la red, analizándose de esta manera las prestaciones definitivas de la red.

• Fase de Prueba: los parámetros de diseño de la red neuronal se han obtenido a partir de unos patrones representativos de las entradas que se denominan patrones de entrenamiento. Los resultados pueden ser tanto calculados de una vez como adaptados iterativamente, según el tipo de red neuronal, y en función de las ecuaciones dinámicas de prueba. Una vez calculados los pesos de la red, los valores de las neuronas de la última capa, se comparan con la salida deseada para determinar la validez del diseño.

Fase de Aprendizaje: una característica de las redes neuronales es su capacidad de aprender. Aprenden por la actualización o cambio de los pesos sinápticos que caracterizan a las conexiones. Los pesos son adaptados de acuerdo a la información extraída de los patrones de entrenamiento nuevos que se van presentando. Normalmente, los pesos óptimos se obtienen optimizando (minimizando o maximizando) alguna "función de energía". Por ejemplo, un criterio popular en el entrenamiento supervisado es minimizar el least-square-error (error cuadrático medio) entre el valor del maestro y el valor de salida actual.

Redes Neuronales Supervisadas y no Supervisadas

Las redes neuronales se clasifican comúnmente en términos de sus correspondientes algoritmos o métodos de entrenamiento: redes de pesos fijos, redes no supervisadas, y redes de entrenamiento supervisado. Para las redes de pesos fijos no existe ningún tipo de entrenamiento.

Reglas de entrenamiento Supervisado

Las redes de entrenamiento supervisado han sido los modelos de redes más desarrolladas desde inicios de estos diseños. Los datos para el entrenamiento están constituidos por varios pares de patrones de entrenamiento de entrada y de salida. El hecho de conocer la salida implica que el entrenamiento se beneficia la supervisión de un maestro. Dado un nuevo patrón de entrenamiento, por ejemplo, (m+1)-ésimo, los pesos serán adaptados de la siguiente forma:

Se puede ver un diagrama esquemático de un sistema de entrenamiento supervisado en la siguiente figura:

Reglas de entrenamiento No Supervisado

Para los modelos de entrenamiento No Supervisado, el conjunto de datos de entrenamiento consiste sólo en los patrones de entrada. Por lo tanto, la red es entrenada sin el beneficio de un maestro.

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