脑皮层的层次结构和Hierarchical Temporal Memory
(最新整理)大脑皮质功能分区
左右交叉，即一侧运动 区支配对侧肢体的运动
身体各部投影区的大小 与各部形体大小无关， 而取决于功能的重要性 和复杂程度
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（2）运动前区
Brodmann 6区 （4区前方，中央前回 上部和额上回后上
部） 参加皮质脊髓束组成的 28%。电刺激6区可引起 头和躯干转向对侧，四肢 屈伸运动。
颞叶后部围绕41区的部分
参与听觉过程
额、顶叶中央前后回下部的中央下区
第二躯体感觉区
额叶额下回后部三角区
Broca语言运动区
额叶额下回后部岛盖区
Broca语言运动区
额叶额中、下回前部的上外额叶皮层
参与前额叶的这新执行功能
额叶额下回前下部皮层
参与前额叶的这新执行功能
颞叶内侧的下脚后区
颞叶和岛叶交界处的岛旁区
位关系，呈对侧倒置关
系。身体各
部在此区的范围大小和对
感觉的灵敏度有关。
一般认为3区对轻触觉起
反应，1区对深部刺激起
反应，2区接受来自关节
囊感2受021器/7/2的6 冲动。
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人体各部在 躯体感觉区 的定位关系
（1）対侧倒置
（2）范围大小 和感觉的精 细程度成正 比
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端脑由约140亿个细胞构成，重约1400克， 据估计脑细胞每天要死亡约10万个（越
不用脑，脑细胞死亡越多）。一个人的 脑储存信息的容量相当于1万个藏书为 1000万册的图书馆，人脑中的主要成分 是水，占80%。脑虽只占人体体重的2%， 但 耗 氧 量 达 全 身 耗 氧 量 的 25% ， 血 流 量 占 心 脏 输 出 血 量 的 15% ， 一 天 内 流 经 脑 的血液为2000升。脑消耗的能量若用电 功率表示大约相当于25瓦
大脑皮层结构和学习记忆的神经机制
大脑皮层结构和学习记忆的神经机制大脑是人类最神秘、最复杂的器官，其内部由众多神经元组成，能够负责控制我们身体的各种行为和反应。
其中最关键的组织便是大脑皮层。
在大脑的深处，还有一些区域也参与着我们的认知、记忆、情绪等复杂的神经网络，这些大脑区域可用于处理和处理各种信息。
本文将详细讲述大脑皮层的结构以及它在学习记忆中所起到的神经机制。
大脑皮层的结构大脑皮层是人类大脑最重要的一部分，也是最先进化的一部分。
它由神经元、胶质细胞和血管等构成，这些结构紧密相连，形成了一个高度精细的网络。
大脑皮层的分层结构总体上可分为六层，不同的大脑区域在结构上也存在差异。
大脑皮层的六层结构从表层到深层依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，各自具有不同的细胞形态和功能，脑细胞之间复杂的交流连接最终成就了人类的情感、思维和行动。
大脑皮层的结构分层不但是为了让不同神经元可以执行不同的任务，同时也能有效的进行信息的处理。
例如，外侧枕叶的Ⅰ层负责处理视觉刺激的方向，Ⅱ层负责处理目标的形状，Ⅲ层负责处理运动方向和速度，整个大脑皮层的分层结构可以把不同部位能处理的信息一下子单独提取出来，从而协助我们在复杂的信息中更好的复杂信息得到处理和表达。
学习记忆的神经机制大脑皮层对人类的学习和记忆来说是十分关键的。
很多性能甚至可以通过长期训练而被改变。
学习和记忆的神经机制在这里主要涉及突触的形成和完善。
记忆过程包括3个主要的阶段：记忆编码、记忆存储和记忆检索。
神经元村片上的突触连接形成学习和记忆的“根基”。
当神经元接收到重复的刺激时，它们的突触会慢慢加强和改善，形成更有效的连接。
这种现象被称为“突触可塑性”。
多个连续的学习事件能加强大脑神经分支和连结，更好地欣赏到新事物，并且更容易产生积极影响。
在神经元中，突触的形状、大小和功能都可以发生改变。
长期推进教育以及不断的学习和尝试是大脑学习和记忆的关键。
人类记忆过程中的大脑皮层神经机制由于突触可塑性，还会添加其他的变化。
大脑的结构与功能
5个叶
• 额叶 frontal lobe • 顶叶 parietal lobe • 颞叶 temporal lobe • 枕叶 occipital lobe • 岛叶 insular lobe
顶叶
可编辑 15
顶叶
大脑皮层的机能 枕叶——视 颞叶——听 顶叶——躯体感觉区（中央后回） 额叶——躯体运动区（中央前回）
中央沟centralsulcus外侧沟lateralsulcus顶枕沟parietooccipitalsulcus额叶frontallobe顶叶parietallobe颞叶temporallobe枕叶occipitallobe岛叶insularlobe顶叶大脑皮层的机能枕叶视顶叶躯体感觉区中央后回额叶躯体运动区中央前回为视觉皮质中枢为视觉皮质中枢枕叶病损时不仅发枕叶病损时不仅发生视觉障碍并且生视觉障碍并且出现记忆缺陷和运出现记忆缺陷和运动知觉障碍等症状动知觉障碍等症状但以视觉症状为主但以视觉症状为主听觉皮质区接受来自听觉皮质区接受来自内侧膝状体的冲动内侧膝状体的冲动通过胼胝体接受来自通过胼胝体接受来自人的顶叶大小在一定程度下与数学和逻辑人的顶叶大小在一定程度下与数学和逻辑方面能力的大小有关一般成正比即顶方面能力的大小有关一般成正比即顶叶后区体积越大一个人在数学逻辑思叶后区体积越大一个人在数学逻辑思维发散思维等方面的能力越强如爱因维发散思维等方面的能力越强如爱因斯坦等他的顶叶比一般人大百分之二十斯坦等他的顶叶比一般人大百分之二十左右盲人的顶叶也比一般人的大顶叶左右盲人的顶叶也比一般人的大顶叶前区越大人的身体协调性感觉等越发前区越大人的身体协调性感觉等越发是大脑发育中最高级是大脑发育中最高级的部分的部分它包括初级它包括初级运动区前运动区和运动区前运动区和前额叶
枕叶
脑功能课件-大脑皮层分布与短时记忆机制
颞叶皮层
控制听觉、语言和记忆等方面的活动，是人类 高级思维和情感的重要区域。
大脑皮层分布与短时记忆机制
1
相关性
辅助
2
时记忆存在着紧密的相关性。
大脑皮层分布对短时记忆的制约和辅
助，是研究记忆机制的重要方向。
3
损伤和改变
大脑皮层分布的改变和损伤会影响短 时记忆的正常工作，进而影响个体的 生活和认知能力。
研究方法与前景
研究方法
使用神经成像、行为实验和计算模型等多种 方法研究大脑皮层分布和短时记忆等生理学 基础。
前景与挑战
未来的研究将涉及到如何应用和优化大脑皮 层分布和短时记忆机制的相关知识，需要遵 循科学原则和伦理规范。
总结
大脑皮层分布和短时记忆机制是人类认知活动的基本组成部分，对于我们的生活、学习和工作具有 不可估量的影响。充分理解这些原理和机制，将有助于我们更好地规划未来。
分布
每个大脑皮层区域代表不同的大脑功 能，如运动、视觉、语言和记忆等。
短时记忆机制
1 定义
短时记忆是指短暂存储和处理信息的能力，通常持续几秒钟到一分钟左右。
2 分类
短时记忆可以分为感觉记忆、声音记忆、工作记忆等多种类型。
3 容量和持续时间
短时记忆的容量通常较小，持续时间短暂，但可以通过训练和技巧进行延 长。
4 神经机制
短时记忆的神经机制涉及多个脑区和神经递质的作用，如海马和前额叶等。
大脑皮层分布
视觉皮层
负责对视觉信息进行处理和分析，经常被用来 研究视觉感知等领域。
前额叶
控制高级思维和社交行为等活动，是人类行为 和人格的重要决策中心。
顶叶皮层
参与了触觉、运动和空间意识等多种感知和认 知功能，是大脑中最广泛分布的皮层之一。
htm算法原理
HTM（Hierarchical Temporal Memory）算法，又名层级时间记忆或皮质学习，是一种模拟新大脑皮层信息处理机制的全新机器学习算法。
它旨在将复杂的问题转化为模式匹配与预测。
HTM算法的核心理念在于模拟新大脑皮层的工作原理，并特别强调对“神经元”进行分层级处理。
同时，它也关注信息模式的空间特性与时间特性。
根据HTM算法原理，其构建了稀疏离散表征和预测模型，这些模型能够在存在先前输入的环境中进行构建和优化。
此外，HTM还引入了空间沉积池和时间沉积池的概念来优化模型的表现。
在HTM的发展历程中，Numenta公司于2011年左右公布了新版本的HTM算法，称为HTM-CLA。
这个版本的算法在本质上与旧版本没有太大的不同，但更为细化，更具有生物性，也就是更接近于真实的大脑皮层模型。
大脑皮质的组织结构
大脑皮质的组织结构
大脑皮质（Cerebral cortex）是大脑的外层，呈灰白色，具有复杂的组织结构。
以下是大脑皮质的主要组织结构：
1. 神经细胞（Neurons）：大脑皮质富含大量的神经细胞，它们是大脑的基本功能单位。
神经细胞通过突触相互连接，形成神经网络，负责信息处理和传递。
2. 神经胶质细胞（Glial cells）：除了神经细胞外，大脑皮质还包含多种类型的神经胶质细胞。
神经胶质细胞支持和保护神经元，并参与维持大脑的正常功能。
3. 六层结构（Six-layered structure）：大脑皮质可以分为六个主要的细胞层，通常从外层（第一层）到内层（第六层）。
每一层都有特定类型的神经细胞，形成特定的连接和功能区域。
4. 纹状结构（Gyri and Sulci）：大脑皮质表面布满了起伏不平的纹状结构，称为回（Gyri）和沟（Sulci）。
这些起伏结构的存在增加了大脑皮质的表面积，提供更多的神经元连接和功能区域。
5. 区域划分（Functional areas）：大脑皮质可以根据不同的功能分为多个区域。
每个功能区域具有不同的神经元组织和连接模式，负责特定的感知、运动、语言、认知和情绪等功能。
总体而言，大脑皮质的组织结构非常复杂，包括神经元、神经胶质细胞、六层结构、纹状结构和功能区域等多个层面。
这些结构相互作用，形成了大脑的高度复杂的功能网络，支持人类的认知、行为和情感等复杂功能。
大脑皮层结构与认知功能之间的相关性解析
大脑皮层结构与认知功能之间的相关性解析概述大脑皮层是大脑中最外层的一层神经组织，负责执行许多重要的认知功能。
理解大脑皮层结构与认知功能之间的相关性对于揭示人类智力和认知能力的基础至关重要。
本文将解析大脑皮层的结构以及它与认知功能之间的关系。
大脑皮层的结构大脑皮层是大脑的外包层，占据了大脑体积的绝大部分。
它具有复杂的神经元网络，由六个主要的皮层区组成。
这六个区域包括：顶叶、额叶、颞叶、枕叶、脑岛和扣带回。
每个区域在大脑中负责不同的认知功能。
大脑皮层的结构与功能区划顶叶位于大脑的最上部，包含了中央回和前额叶回。
它负责高级认知功能，如推理、决策和问题解决。
额叶位于大脑的前部，包括额叶上、下、内侧和外侧区域。
额叶与情绪调节、记忆、注意力和决策制定密切相关。
颞叶位于大脑的侧面，包括颞叶上、颞叶中央和颞叶下区域。
它负责听觉处理、语言理解、面部识别和长期记忆。
枕叶位于大脑的后部，包括枕叶下和枕叶上区域。
它参与视觉处理和空间认知。
脑岛位于大脑的侧面，被额叶、顶叶和颞叶所环绕。
脑岛参与对自主神经系统的调节，以及情感处理和社会情境识别。
扣带回位于大脑的中央，环绕着中央回。
它与运动控制相关，特别是肌肉调节和复杂的运动协调。
大脑皮层结构与认知功能的关系大脑皮层的各个区域与不同的认知功能密切相关。
通过研究大脑活动、脑损伤和脑成像技术，我们可以更好地理解这种关系。
对于高级认知功能，例如语言理解和记忆，多个大脑区域同时参与。
例如，额叶和颞叶的协同活动在语言理解中起着重要作用。
额叶负责词汇处理，颞叶则参与语义理解和长期记忆。
在感知和知觉方面，大脑皮层中的不同区域协同工作以制定准确的认知。
视觉感知涉及到枕叶和颞叶的合作，而听觉感知则需要颞叶和额叶的协同作用。
决策和注意力也依赖于大脑皮层的多个区域之间的交互作用。
额叶和顶叶区域参与了注意力的调节和决策制定，而枕叶和颞叶则负责进行感知和信息的整合。
此外，大脑皮层的前额叶在情感调节和社交能力方面起着重要作用。
大脑皮层的结构化与功能分区
大脑皮层的结构化与功能分区大脑是人体最重要也最为神秘的器官之一，复杂且神奇的运作机制让人类对其充满好奇和敬畏之情。
在众多神经元和神经纤维的支配下，大脑发挥着各种各样的复杂功能，例如思维、学习、情感处理以及多种行为等等。
而对于大脑内部结构的研究，我们可以更加深刻地了解大脑的工作原理并揭示其神奇之处。
本文将会围绕大脑皮层的结构和功能分区这一问题展开讨论。
大脑皮层，即大脑的外层即灰质，在人脑中占据着非常重要的位置。
大脑皮层由六个层组成，其中一、二层是细胞密度较小的层，三、四层是细胞密度较大的层，五、六层则是神经元轴突起点所处的层。
大脑皮层自然的呈现出不同的区域，这些区域被称为功能分区。
功能分区的发现是人类对大脑结构研究的重大突破，这些区域之间紧密扣连着人的行为和认知等多个方面。
大脑的结构化分区是如何被揭示出来的呢？这归功于20世纪初赫赫有名的脑科学家，德国脑解剖学家科尔布和他的助手。
他们研究了150多个大脑，最终针对不同大脑区域的形态差异进行了详尽地记录。
他们的研究揭示了各种结构之间的功能联系，形成了功能分区的概念。
科尔布还提出了神经网络的概念，认为大脑是由各种特定功能区域组成的。
这些作为神经网络的结构被称为区域，每个区域都包含了大量的神经元。
在这些神经元的帮助下，脑部的不同区域协同工作以控制不同的行为和定位。
在前人的结构研究及新的技术工具的帮助下，现代医学已经成功地创造了数以百计的脑部区域模型。
根据不同的研究目的，不同领域的科学家可以使用不同的定义来传达各种独特的功能分区。
例如，大脑皮层最重要的区域之一前额叶，被细分为额叶枕叶、前额脚和额骨。
每个子区域都控制着特定的认知功能，例如在额骨和前额脚附近，大脑平时在进行思考、计划、评估和反思等思维活动时会被活跃。
而大脑后面的枕叶则负责处理视觉输入和空间组织信息。
另一个功能区域是被称为布罗德曼区域，此区域被认为是人脑内最为复杂的区域之一，最初由美国的萨伯瑞个人进行了系统性研究，细分出了多个子区块。
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•自然图像的统计特性和视网膜神经元的计算模型•脑皮层的层次结构和Hierarchical Temporal Memory •Boltzmann机学习算法和脑的统计热力学模型
新皮层生理•大脑皮层中最晚进化出的
部分
•特有的6层结构，在所有哺乳动物的大脑中发现
•大脑中与智能有关的最主要部分（另外两个部分：
丘脑和海马）
•厚度：6张扑克牌
•面积
–人：1张餐巾
–猴子：1个信封
–老鼠：1张邮票
新皮层分区和
层级结构•分区之间的层次关系
–例如，视觉腹侧
通路：Retina ->
LGN -> V1 -> V2
-> V4 -> IT
–层次关系通过分
区间的正向和反
向连接体现
关于新皮层的猜想
•新皮层的结构在不同区域、不同物种之间，存在高度相似性
–层数相同、神经元种类和分布相同、连接方式相同•结构相似导致功能相似
–将初生雪雕的视觉信号连接到听觉发育区，听觉区发
育为视觉区
–先天性盲人阅读盲文时，激活的是视觉区
•猜想（美国神经科学家Montcastle于1978年提出）–新皮层的功能区域的信息处理都遵循一个共同的算
法，视觉、听觉、运动输出等之间没有任何差异
耗散结构和生命体的区别
Benard花纹
生物体通过与环境交互，将自己限定在特定的
生态位中，维持自身的稳定结构。
脑的最基本功能是什么？
•避免surprise
–Surprise对生命体通常意味着死亡
e.g., fish out of water
–通过避免surprising state（减少熵），维持自身的存活（稳定状态）
–Surprise是相对的
•手段
–记忆、推断、预测
–指导行动
新皮层的功能
•记忆
•推断
•预测
•通过记忆基础上的推断和预测来减少surprise。
怎样完成推断和预测？HTM层级结构
•每个结点的功能
–识别模式
–记忆模式序列
–向上级传递信念
–向下级反馈预测
•在“我们”看来
–底层结点：记忆短暂时间序列，推断简单原因
–上层结点：记忆长期时间序列、推断复杂原因
•在“结点自己”看来
–我不知道自己的身份、地位，不知道输入数据的类型、
来源，只管做同样的工作
HTM工作原理实例：看图识物
HTM网络结构
训练方法：给HTM网络看电影
顶层结点连接到一个有监督分类器，相当于海马
测试集
单个结点的操作
•学习阶段
–观察输入模式，建立内部表示，没有输出
–又分为记忆模式、学习转移概率、时间聚合三个子阶段
•感知/推断阶段
–对每个输入模式产生输出表示信念
学习阶段1：记忆模式
•建立记忆持久存储看到的模式，并给每个模式编号•把感受野中出现的模式和模式库比较，如果不在，则加到模式库中
学习转移概率•建立并维护表示模式
转移的马尔科夫图
学习阶段3：时间聚合根据马尔科夫图将模式聚合为序列
学习阶段全过程
推理阶段
•输入：同学习阶段
•输出：输入模式属于每个时间序列的概率（向量表示）
HTM信念传播的神经实现
新皮层和HTM的对应关系
新皮层电路图
第4层星形神经元：
计算正向模式概率•主要的正向信息传入层，投射到L3–例如：视网膜 -> LGN -> V1 L4
•反馈输入一般避免L4区域
第3层金字塔细胞
•纵向输入：L4、L1；纵向输出：L5、高级皮层•大量横向连接
•复杂细胞，响应移动刺激
第3层金字塔细胞•序列记忆
•向高级皮层输出序列概率•整合反馈信息
幻觉轮廓效应
实验表明，与幻觉边缘对应的V1神经元有响应
HTM网络的幻觉轮廓
新皮层/HTM为什么能work？•新皮层/HTM的组织结构反映了物理世界的组织结构的基本规律–空间和时间的局部性和层次性
•空间局部性：相邻空间的模式更可能相关（由相同原因导致）•时间局部性：顺序出现的模式更可能相关（由相同原因导致）•空间层次性：例如多尺度、分形
•时间层次性：例如语言、股票市场
•层次性保证局部性原理在更大的尺度上仍然适用。