Biyolojik Sinir Ağlarının Fizyolojik Yapısı

3.1. Yapay Sinir Ağlarının Tanımı

YSA, insan beyninden esinlenerek geliştirilmiş, ağırlıklı bağlantılar aracılığıyla birbirine bağlanan ve her biri kendi belleğine sahip işlem elemanlarıdır (Elmas, 2003). Bir başka deyişle insan beyninin işleyişini taklit eden sistemlerdir (Sağıroğlu ve Ark., 2003). YSA, biyolojik sinir ağlarından esinlenilerek ortaya çıkarılan ve biyolojik sinir ağlarına benzer bazı performans özellikleri içeren bir bilgi işleme sistemidir (Fausett, 1994). YSA, deneyime dayalı bilgiyi depolamaya ve bu bilgileri kullanıma sunmaya yönelik doğal bir eğilim içerisinde olan yoğun paralel dağılmıs bir işlemcidir (Haykin, 1999). YSA, insan beyninin işleyişine benzer bir biçimde, bir girdi seti ile bir çıktı setini doğrusal olmayan bir şekilde eşleştirebilen sistemlerdir (Jain ve Martin, 1998).

Literatürde YSA ya da sinir ağları olarak bahsedilen çalışmalar, başlangıçta insan beyni hesaplamalarını tanıma olarak geleneksel bilgisayarlardan tamamen farklı yollarla harekete geçirilmiştir (Haykin, 1999).

YSA ile ilgili çalışmaların temel amaç olarak biyolojik sinir sistemlerinin anlaşılmasına ve matematiksel olarak modellenmesine yönelik çabaları içermesi, öncelikle YSA’nın tarihi gelişimine ve biyolojik sinir ağlarının fizyolojik yapılarının anlaşılmasını gerektirmektedir (Terence, 1999). Bu nedenle izleyen bölümde, YSA’nın biyolojik sinir sistemleri ile benzerliğini ifade etmek için biyolojik sinir ağlarının fizyolojik yapısı ele alınmıştır.

3.2. Biyolojik Sinir Ağlarının Fizyolojik Yapısı

İnsan sinir sistemi çok karmaşık bir ağdır. Beyin bu sistemin merkezi elemanıdır ve birbirlerine alt ağlarla bağlı nöronlara (sinir hücresi) sahiptir. Sinir hücreleri elektrokimyasal bir işlemle bilgi taşımak için özelleşmiş hücrelerdir. Bu sinir hücreleri değişik şekil ve büyüklüktedirler. Bazıları sadece 4 mikron (4/1000 milimetre) genişliğinde iken 100 mikron genişliğinde olanlar da vardır. Her ne kadar değişik tipteki sinir hücrelerinin şekil ve işlev açısından farklılıkları bulunsa

36

da hepsinin ortak özelliği hücre gövdesi, dendrit, akson ve akson terminallerinden olmak üzere 4 farklı kısımdan oluşmalarıdır (Guyton ve Hall, 2006). Biyolojik bir sinir hücresinin temel yapısı Şekil 3.1.’de gösterilmiştir (Diamantaras ve Kung 1996; Haykin 1999).

Şekil 3.1. Biyolojik Sinir Hücresinin Temel Yapısı (Diamantaras ve Kung 1996; Haykin 1999)

Dendritler, hücre gövdesinden dışarıya doğru uzanım gösterirler ve diğer sinir hücrelerinin akson sonlanım noktalarındaki kimyasal sinyalleri almak için özelleşmişlerdir (Guyton ve Hall, 2006). Diğer bir deyişle dendritler, bir hücre için girdi kanallarını oluştururlar (Anderson ve McNeill, 1992). Dendritler bu sinyalleri küçük elektriksel akımlara çevirerek hücre gövdesine iletirler.

Dendritlerin yüzeyleri düz değildir ve genellikle bir sinir hücresinde çok sayıda dendrit vardır. Aksonların aksine üzerlerini kaplayan sinir kılıfları (myelin) yoktur.

Hücre gövdesi çekirdeği içerir ve tüm sinir hücre proteinlerinin ve zarların üretim merkezi olma görevini üstlenir. (Guyton ve Hall, 2006). Hücre gövdesi, dendritler aracılığıyla gelen sinyalleri işleyerek çıktıya dönüştürür. Hücre gövdesinin ürettiği bu çıktılar ise aksonlar aracılığıyla diğer nöronlara girdi olmak üzere gönderilir (Anderson ve McNeill, 1992). Tüm sinir hücreleri akson adı verilen çapı 1 mikrometreden 1 milimetreye varabilen uzun kollarla diğer sinir hücreleriyle etkileşime girerler. Aksonlar, aksiyon potansiyeli denen bir çeşit

37

elektriksel akımın hücre gövdesinden akson terminaline iletimini sağlarlar. Akson yüzeyleri düzdür ve genellikle bir sinir hücresinde bir akson vardır. Aksonlar sinir hücre gövdesinden uzakta dallanırlar. Hücre gövdesinden ayrıldıktan sonra myelin denen bir kılıfla yüzeyleri kaplanır. Bu kılıf aksonun seyri boyunca 0,2-2 milimetrede bir kesintiye uğrar. Bu kesinti noktalarına Ranvier düğümü adı verilir.

Nöronal hücre gövdeleri sinyal alımı için sinapslar oluştururlar. Sinaps, iki sinir hücresi arasındaki fonksiyonel bir ünitedir. Sinaps terminaline ulasan akım, nörotransmitter adı verilen belirli kimyasalların açığa çıkmasını sağlar. Bu kimyasal maddeler postsinaptik uçtaki reseptörlere bağlanınca, postsinaptik hücrenin uyarılabilirliğinde bir değişikliğe sebep olur. Bu değişiklik uyarıcı yönde, başka bir ifadeyle sinir hücresinin bir aksiyon potansiyeli oluşturmasını destekleyecek şekilde olabileceği gibi engelleyici yönde de olabilir. Eğer uyarıcı olaylar yeterli sayıda olursa, postsinaptik sinir hücresinde yeni bir aksiyon potansiyeli oluşur ve mesaj iletilmiş olur. Sinapslarda ileti her zaman tek yönde, presinaptik düğümden postsinaptik hücreye doğru iletilir. Sinapslar genellikle sinyalleri tek bir yönde iletirler (presnaptik hücreden postsnaptik hücreye doğru).

Bir hücrenin aksonu diğer hücrelerle bu sinapslar sayesinde binlerce bağlantı yapabilir (Guyton ve Hall, 2006).

YSA beyne özellikle iki özelliğiyle benzemektedir. Bu özelliklerden birincisi; bilginin, bir öğrenme işlemi ile ağın çevresinden elde edilmesi, ikincisi;

sinaptik ağırlıklar olarak bilinen işlem elemanları (nöron) arasındaki bağlantı ağırlıkları, elde edilen bilgileri depolamak için kullanılmasıdır (Haykin, 1999).

Fausett’e göre ise, YSA, insanın kavrama yeteneğinin ya da sinir biyolojisinin matematiksel modellerinin genelleştirilmesi olup aşağıdaki varsayımlara dayandırılarak oluşturulmuştur (Fausett, 1994):

1. Bilgi işleme, işlem elemanı (nöron) adı verilen birçok basit birimlerle gerçekleşir.

2. Sinyaller bağlantılar aracılığıyla işlem elemanları arasında geçiş yapar.

3. Her bağlantının bir ağırlığı vardır. Tipik bir sinir ağında olduğu gibi, iletilen sinyallerle çarpılır.

4. Her işlem elemanı çıktı sinyallerini belirlemek için genellikle doğrusal olmayan bir transfer fonksiyonu uygular.

38

Tüm bu açıklamaların çerçevesinde biyolojik sinir sisteminin yapısı ile YSA arasındaki benzerlikler Çizelge 3.1.’deki gibi gösterilebilir (Elmas, 2003).

Çizelge 3.1. Biyolojik Sinir Sistemi ile YSA Arasındaki Benzerlikler (Elmas, 2003)

Biyolojik Sinir Ağı YSA

Nöron İşlem Elemanı (Düğüm)

( )

Sinaps İşlem Elemanları Arasındaki Bağlantı Ağırlıkları

( )

Dendrit Birleştirme Fonksiyonu

( )

Hücre Gövdesi Transfer Fonksiyonu Akson İşlem Elemanının Çıkışı

( )