闸门机制（Gate Mechanism）

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神经网络中常说的闸门机制（Gate Mechanism）或者闸门理论（Gate Theory）源自 Gate Control Theory of Pain，大致原理如下：

Gate Control Theory of Pain (Ronald Melzack and Patrick Wall, 1965)：非疼痛的输入可以阻止疼痛的感觉传递到中枢神经系统中。因此，通过无害的刺激输入是可以抑制疼痛的。

non-painful input closes the “gates” to painful input, which prevents pain sensation from traveling to the central nervous system. Therefore, stimulation by non-noxious input is able to suppress pain.

图 1 传入与传出神经

闸门理论，称那些激活但不传递疼痛信号的神经为非感受伤害性纤维（nonnociceptive fibers），它们可以干涉源自疼痛纤维（pain fibers）的信号，从而可以抑制疼痛。传入疼痛感受神经（见图 1，高中生物中有讲述：胞体在脑、脊神经节内，神经末梢在皮肤和肌肉等部位形成感受器）将信号传入中枢神经，包含至少两种神经纤维：

• 快速（ speed of travel of a nerve signal (2 to 30 m/s) ）、膜较厚（2 to 5 μm in diameter）、有髓鞘的Aδ纤维(A delta fiber)，传递剧烈疼痛（intense pain）；
• 相对Aδ慢（no more than 2 m/s），膜较薄（0.2-1.5 μm in diameter），无髓鞘的C纤维（C fiber），传递搏动/绞痛、慢性痛（throbbing and chronic pain）。

大直径的Aβ fibers纤维是非感受伤害性纤维，并且能够抑制 Aδ 和 C 纤维 “firing” (很形象的比喻，Aδ, C纤维向投射神经元（projection neuron）投递疼痛信号，好比开火)，见图2、3所示的两种状态：

Gate control theory asserts that activation of nerves which do not transmit pain signals, called nonnociceptive fibers, can interfere with signals from pain fibers, thereby inhibiting pain. Afferent pain-receptive nerves, those that bring signals to the brain, comprise at least two kinds of fibers - a fast, relatively thick, myelinated “Aδ” fiber that carries messages quickly with intense pain, and a small, unmyelinated, slow “C” fiber that carries the longer-term throbbing and chronic pain. Large-diameter Aβ fibers are nonnociceptive (do not transmit pain stimuli) and inhibit the effects of firing by Aδ and C fibers.

图 2 Aβ纤维没有激活，C纤维向投射神经元投递疼痛信号，投射神经元将信号传递到中枢神经

图 3 Aβ纤维激活，C纤维向投射神经元投递疼痛信号被抑制性中间神经元抑制，投射神经元不会将疼痛信号传递到中枢神经

周围神经系统（peripheral nervous system, PNS）（相对于中枢神经系统（central nervous system, CNS），见图 4， 是神经系统中的组成部分，分布于大脑和脊髓之外，主要作用是将四肢和器官各处与CNS相连接，本质上就像中介一样建立大脑和脊髓之外的身体部分来回的反馈）具有管理疼痛刺激的中心。灰质后角（见图 5 中灰质2部分）是主要涉及接受源自Aδ 和 C纤维的疼痛刺激、Aβ信号输入的区域。非感受伤害性纤维并不直接抑制疼痛纤维的状态，而是通过图 3所示的中断掉（closing a gate）刺激的传输。在脊髓灰质的其他区域，疼痛纤维也能抑制非感受伤害性纤维，从而（opening the gate）恢复到图 2 所示的状态。

图 4 神经系统简图

图 5 脊髓剖面图蓝色和红色分别表示传入神经元和传出神经元，灰质后角位于2区域

上面的闸门机制是生理学中的简介，而在深度学习中，如何使用该原理，利用各种激活函数，从而实现训练过程收敛的，我还不清楚，等清楚该原理，就会写博客进行讲解。

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References:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Afferent_nerve_fiber
• https://en.wikipedia.org/wiki/Gate_control_theory
• https://en.wikipedia.org/wiki/Posterior_grey_column