INTRODUCCION Y CONCEPTOS BASICOS (Parte 1)
PRESENTACION
Muchos de los desarrollos del hombre se deben a su capacidad para explicar
y emular funciones que son realizadas por seres vivos. Por ejemplo, se puede
citar el radar, que surge como imitación de la forma como un murciélago es
capaz de detectar los objetos que están en su camino sin necesidad de verlos,
por medio de emisión de una onda ultrasónica, la posterior recepción de la
señal de eco y su procesamiento. Así como el anterior hay muchos ejemplos más :
El helicóptero, el avión, el submarino, para citar algunos. Aunque el hombre ha
sido capaz de emular funciones de los animales, para él siempre ha sido un sueño
poder conocer e imitar, la llamada por muchos la máquina perfecta : el cerebro humano.
Cuando la neurociencia pudo explicar de forma un poco convincente el funcionamiento
de la unidad principal de procesamiento de información que posee el cerebro, la neurona,
surge casi de manera automática la idea de poder emular dicho funcionamiento en un
elemento artificial "La neurona artificial."
LA NEURONA BIOLÓGICA.
Una neurona es una célula viva, y como tal, contiene los mismos elementos que forman parte de todas las células biológicas, además, de poseer elementos característicos que la diferencian. En general una neurona consta de un cuerpo celular más o menos esférico de 5 a 10 micras de diámetro, del que sale una rama principal el axón, y varias ramas más cortas denominadas dentritas. A su vez el axón puede producir ramas en torno a su punto de arranque, y con frecuencia se ramifica extensamente cerca de su extremo,
figura 1.
Figura No. 1 Esquema de una neurona biológica
Una de las características que diferencian a las neuronas del resto de células vivas, es su capacidad de comunicarse. En términos generales, las dentritas y el cuerpo celular reciben señales de entrada, el cuerpo celular las combina e integra y emite señales de salida. El axón transporta esas señales a los terminales axónicos, que se encargan de distribuir información a un nuevo conjunto de neuronas. Por lo general una neurona recibe información de miles de otras neuronas y, a su vez, envía información a miles de neuronas más. Se calcula que en el cerebro humano existen del orden de 10 a la 15 conexiones. En la tabla 1 se muestra un paralelo entre un computador secuencial (Computador de Von Neumann) y un sistema biológico
Característica
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Computador secuencial
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Sistema biológico neuronal
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Unidad de Procesamiento
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Compleja, Veloz, Unica
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Simple, Lenta, Muchas
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Memoria
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Separada del procesador, Localizada
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Integrada dentro del procesador, Distribuida,
Direccionable por contenido
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Procesamiento de los Datos
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Centralizado, Secuencial, Programas almacenados
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Distribuido ,Paralelo, Auto aprendizaje
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Confiabilidad
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Muy vulnerable
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Robusto
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Especialización
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Manipulaciones simbólicas y numéricas
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Problemas perceptuales
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Ambiente de operación
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Bien definido, Muy restringido
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Pobremente definido, Sin restricciones
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LA NEURONA ARTIFICIAL
Cualquier modelo de red neuronal consta de dispositivos elementales de procesamiento: las neuronas. A partir de ellas, se pueden generar representaciones específicas, de tal forma que un estado conjunto de ellas pueda significar una letra, un número o cualquier otro objeto. Generalmente se pueden encontrar tres tipos de neuronas:
1. Aquellas que reciben estímulos externos, relacionas con el aparato sensorial, que tomarán la información de la entrada, denominadas unidades de entrada.
2. Dicha información se transmite a ciertos elementos internos que se ocupan de su proceso. Es la sinapsis y neuronas correspondientes a este segundo nivel donde se genera cualquier tipo de representación interna de la información. Puesto que no tienen relación directa con la información de entrada y de salida, estos elementos se denominan unidades ocultas.
3. Una vez ha finalizado el periodo de procesado, la información llega a las unidades de salida, cuya misión es dar la respuesta del sistema.
Figura No. 2 Esquema de una neurona artificial
La tecnología basada en redes neuronales artificiales es
de caracter bio-inspirado pues su funcionamiento trata de imitar el funcionamiento de
elementos biologicos que en este caso los constituyen las neuronas del cerebro.
En la figura 2 se ilustra una neurona artificial
DEFINICIÓN DE RED NEURONAL
Darpa (1988), define una red neuronal como un sistema compuesto de muchos elementos simples de procesamiento los cuales operan en paralelo y cuya función es determinada por la estructura de la red, el peso de las conexiones; realizándose el procesamiento en cada uno de los nodos o elementos de computo.
Según Haykin (1994), una red neuronal es un procesador paralelo masivamente distribuido que tiene una facilidad natural para el almacenamiento de conocimiento obtenido de la experiencia para luego hacerlo utilizable. Se parece al cerebro en dos aspectos:
1. El conocimiento es obtenido por la red a través de un proceso de aprendizaje.
2. Las conexiones interneuronales conocidas como pesos sinápticos son utilizadas para almacenar dicho conocimiento.
Kohonen (1998) las define como redes de elementos simples (usualmente adaptativos) masivamente interconectados en paralelo y con organización jerárquica, las cuales intentan interactuar con los objetos del mundo real del mismo modo que lo hace el sistema nervioso biológico.
En síntesis se puede considerar que una Red Neuronal Artificial es un sistema de procesamiento de información que tiene ciertas características de comportamiento en común con las redes neuronales biológicas. Las redes neuronales artificiales han sido desarrolladas como generalizaciones de modelos matemáticos del conocimiento humano o de la biología neuronal, con base en los siguientes considerandos :
1. El procesamiento de información se realiza en muchos elementos simples llamados neuronas.
2. Las señales son pasadas entre neuronas a través de enlaces de conexión
3. Cada enlace de conexión tiene un peso asociado, el cual, en una red neuronal típica, multiplica la señal transmitida.
4. Cada neurona aplica una función de activación (usualmente no lineal) a las entradas de la red (suma de las señales de entrada pesadas) para determinar su señal de salida.
Las RNAs han sido aplicadas en un gran número de problemas reales de complejidad considerable. Su más importante ventaja es la de resolver problemas que son muy complejos para tecnologías convencionales, problemas que no tienen una solución determinística o para los cuales una solución determinística es muy complicado encontrarla.
En general, por ser una abstracción del cerebro biológico, las RNA son buenas para resolver aquellos problemas que las personas resuelven adecuadamente, pero que los computadores no. Estos problemas, entre otros, incluyen reconocimiento de patrones y problemas de pronóstico (los cuales requieren el reconocimiento de una tendencia en unos datos).