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Redes Neuronales




Partes: 1, 2

  1. Panorama General
  2. Redes neuronales de tipo biológico
  3. Redes neuronales para aplicaciones concretas
  4. Taxonomía de las redes neuronales
  5. Redes neuronales supervisadas y no supervisadas
  6. Funciones de base y activación
  7. Estructuras de las redes neuronales artificiales
  8. Modelos no supervisados

Panorama General

Las Redes Neuronales Artificiales (Artificial Neural Networks - ANNs) se constituyeron inicialmente como una simulación abstracta de los sistemas nerviosos biológicos formados por un conjunto de unidades llamadas neuronas o nodos conectados unos con otros. Las conexiones de estos nodos se asemejan a las dendritas y axones de los sistemas nerviosos biológicos.

Warren McCulloch y Walter Pitts desarrollaron en 1943 el primer modelo de red neuronal en términos de modelo sistemático de actividad nerviosa. El modelo se caracteriza básicamente por ser binario, donde cada neurona tiene un escalón o umbral prefijado. Este primer modelo sirvió de ejemplo para los modelos posteriores de Jhon Von Neumann, Marvin Minsky, FranK Rosenblatt, etc.

Las ANNs pueden clasificarse en modelos de tipo biológico y tipo dirigido a la aplicación de acuerdo a su similitud con la realidad biológica:

  • Modelos de Tipo Biológico.

Se constituyen en redes que tratan de simular los sistemas neuronales biológicos así como las funciones auditivas o funciones básicas de la visión.

  • Modelos Dirigidos a Aplicaciones.

No necesariamente guardan similitud con los sistemas biológicos. Sus arquitecturas están fuertemente ligadas a las necesidades de las aplicaciones para las que son diseñados.

  1. REDES NEURONALES DE TIPO BIOLÓGICO

El cerebro humano promedio cuenta con aproximadamente mil millones de neuronas. Asimismo, durante las sinápsis cada una de estas neuronas recibe en promedio alrededor de 1000 estímulos de entrada y genera alrededor de 1000 estímulos de salida. En este sentido, la principal ventaja del cerebro humano promedio recae en su conectividad, interpretada como la capacidad del mismo para realizar diferentes procedimientos lógicos a la vez. Sin embargo, su principal debilidad recae en la velocidad de procesamiento de la información, siendo las computadoras en este sentido, muchísimo más rápidas.

El objetivo de las redes neuronales de tipo biológico se constituye en desarrollar un elemento sintáctico que permita verificar las hipótesis correspondientes a los demás sistemas biológicos. Es decir, las redes neuronales de tipo biológico deben recibir y procesar información de otros sistemas biológicos y devolver una respuesta de acción efectiva.

La mayor parte de las neuronas posee una estructura arbórea formada en su mayor parte por dendritas que, conectadas a otras neuronas, se encargan de recibir los estímulos de entrada neuronales mediante uniones denominas sinopsis. Algunas neuronas tiene una estructura que las comunica con miles de neuronas más, mientras otras sólo puede comunicarse con unas cuantas a su alrededor. Las tres partes importantes de la estructura de una neurona son:

  • Ramas de Extensión o Dendritas – Reciben estímulos de Entrada.
  • Cuerpo de la Neurona – Procesa estímulos de Entrada.
  • Axón – Emite estímulos de Salida a las Dendritas de otras neuronas.

Actualmente no sé conoce con certeza la verdadera forma de interacción de las neuronas. En general, una neurona recibe estímulos de entrada mediante las dendritas, estos estímulos son procesados en el cuerpo de la misma para posteriormente emitir un estímulo de salida mediante el axón. Este último estímulo utiliza diferencias de potencial eléctrico u ondas de corriente las cuales dependen fundamentalmente del potencial de la neurona. Asimismo, la neurona utiliza la función de escalón y la función de activación para determinar la salida que debe emitir de acuerdo a los estímulos recibidos.

  1. El conocimiento que se posee sobre el sistema nervioso es aún incompleto. En este sentido, las ANNs no se encuentran muy ligadas a lo que son en sí las redes neuronales biológicas. Por lo tanto, se han definido otras funcionalidades y estructuras de conexión distintas a las establecidas por la biología. Las principales características de las ANNs son las siguientes:

    Auto Organización y Adaptabilidad

    Utilizan algoritmos de aprendizaje adaptativo y auto organización ofreciendo posibilidades de un procesamiento robusto y adaptable.

    Procesado No Lineal y Paralelo

    Aumenta la capacidad de la neurona para poder aproximar y clasificar información haciéndose más inmune al ruido (datos desordenados).

    Estas características juegan un papel importante en las ANNs aplicadas al procesado de señales. En este sentido, la red constituida para una aplicación determinada poseerá una arquitectura concreta de elementos de procesado adaptativo, masivo y paralelo que se combinan en estructuras de interconexión de red jerárquica.

  2. REDES NEURONALES PARA APLICACIONES CONCRETAS

    Toda aplicación de redes neuronales consta de dos fases: la fase de aprendizaje o entrenamiento y la fase de prueba o funcionamiento directo. En la fase de entrenamiento se usa un conjunto de datos o patrones de entrenamiento para determinar los pesos que definen el modelo neuronal. Este modelo una vez entrenado, se usará en la fase de funcionamiento directo en la que se procesarán patrones de prueba que constituyen la entrada habitual de la red con el objetivo de analizar las prestaciones definitivas de la misma.

    Fase de Prueba

    Los pesos de la red neuronal se han obtenido a partir de patrones representativos de entradas que se denominan patrones de entrenamiento. Los pesos pueden ser 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, se compararán las salidas deseadas con los valores de las neuronas de la última capa para determinar la validez del diseño.

    Fase de Aprendizaje

    Una de las características más resaltantes de las redes neuronales es su capacidad de aprender. Éstas aprenden por la actualización o variación 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 de la optimización (minimización o maximización) de alguna función de energía.

    El entrenamiento de las redes neuronales puede realizarse fuera de línea o en tiempo real. La elección de cualquiera de ellos o ambos implica velocidades de proceso diferentes que afectas a los algoritmos y hardware utilizados. De acuerdo al tipo de entrenamiento, las redes neuronales pueden clasificarse en:

    Fijo

    No supervisado

    Supervisado

    Red de Hamming

    Mapa de características

    Basadas en decisión

    Red de Hopfield

    Aprendizaje competitivo

    Perceptrón

    ADALINE (LMS)

    Perceptrón Multicapa

    Modelos Temporales Dinámicos

    Modelos Ocultos de Markov

  3. TAXONOMÍA DE LAS REDES NEURONALES

    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.

    REDES DE ENTRENAMIENTO SUPERVISADO

    Las redes de entrenamiento supervisado han sido los modelos de redes más desarrolladas desde los inicios de este tipo de 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 de la supervisión de un maestro. Dado un nuevo patrón de entrenamiento (m+1), los pesos serán adaptados de la siguiente forma:

    DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE SISTEMA DE ENTRENAMIENTO

    REDES DE ENTRENAMIENTO NO SUPERVISADO

    Las Redes de Entrenamiento no Supervisado utilizan datos de entrenamiento consistentes en sólo patrones de entrada. Por lo tanto, la red es entrenada sin el beneficio de un maestro. La red aprende a adaptarse basada en las experiencias recogidas de los patrones de entrenamiento anteriores.

    DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE SISTEMA DE ENTRENAMIENTO

    La Regla de Aprendizaje de Hebb: Refuerza el peso que conecta dos nodos que se excitan simultáneamente.

    Regla de Aprendizaje Competitiva: Determina la factibilidad de pertenencia de un patrón a una clase reconocida previamente. En caso de darse esta pertenencia, la inclusión de este nuevo patrón a la clase reconocida cambiará al representante de la misma.

  4. REDES NEURONALES SUPERVISADAS Y NO SUPERVISADAS

    Una neurona suministra un valor a su salida que se propaga a través de la red de conexiones unidireccionales hacia otras células de la red. Asociada a cada conexión hay un peso sináptico denotado por wij, que determina el efecto de la neurona j-ésima sobre la neurona i-ésima. Las entradas a la neurona i-ésima que provienen de las otras neuronas son acumuladas junto con el umbral externo, para dar el valor de red. La forma de hacerlo está determinada matemáticamente por la función de base f para dar un valor de activación. En este sentido, la salida final se puede expresar como una función de la entrada y pesos.

    Las redes de conexión son matemáticamente representadas por la función de base u (w, x) donde w es la matriz de pesos y x el vector de entrada. La función de base tiene dos formas típicas:

    Función Lineal de Base

    Función de primer orden o de tipo hiperplano. El valor de red es una combinación lineal de las entradas.

    Función de Base Radial

    Función de segundo orden o de tipo hiperesférico. El valor de red representa la distancia a un determinado patrón de referencia.

    FUNCIÓN DE ACTIVACIÓN O FUNCIÓN DE NEURONA

    La función de activación se encarga de transforma el valor de red expresado por la función de base u (w, x). Las funciones de activación más comunes son:

  5. FUNCIONES DE BASE Y ACTIVACIÓN


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