神经信息编码综述

《神经信息编码综述》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、神经信息编码综述沙漠蚁在寻找食物时会行走很长的距离，当一只蚂蚁搜索时，它以一种锯齿形弯弯曲曲的路径运动。但是一旦该蚂蚁发现了食源，它便转向巢穴，并直接以直线方式向巢穴进发。它是怎么做到这一点的呢？原来中枢神经系统记录了该蚂蚁的每一次左右转向，并能计算它开始时的位置，进而指导它笔直的回家。如此复杂的信息整合依赖于由太阳发出的偏振光[1]提供的坐标。沙漠蚁的眼包含对偏振光敏感的特异光感受器群，这些光感受器向中枢神经系统提供信息，由后者计算并记录在空间中的运动而建立一种新矢量。以上这个简单而又有趣的案例，向我们暗示

2、了神经信息编码的过程和强大的功能。本章就带领读者具体了解人类大脑神经信息编码的生物学基础和如何使用数学方法对神经信息编码进行建模分析。当然，本文不是专业教材，所以对很多知识点只是点到为止，不会过于深入，但是在介绍具体知识点时会不断穿插一些非常有趣而经典的应用，使读者能感受到神经信息编码的巨大魅力。另外，关键的作用是帮助读者和笔者一起从神经元信息编码开始，到人脑结构、认知心理学、认知-情感体系，最终到意识的涌现，勾连出一个逻辑链条和理论框架，从而对人类自身活动的认识、理解提升到一个整体的层面，并最终获得最高层次

3、的精神洗礼。[1]光是一种横波，由振动方向和光波前进方向构成的平面称为振动面，光的振动面如果只限于某一固定的方向，就是偏振光。第一节神经元的结构神经元又称神经细胞，是构成神经系统结构的基本单位。神经元是具有长突起的细胞，它由细胞体和细胞突起构成。细胞体位于脑、脊髓和神经节中，细胞突起可延伸至全身和组织中。细胞体是细胞含核的部分，其形状大小有很大差别，直径约4um-120um。核大而圆，位于细胞中央，染色质少，核仁明显。细胞体内有斑块状的核外染色质（旧称尼尔小体），还有许多神经纤维。细胞突起是由细胞体延伸出来的

4、细长部分，又可分为树突和轴突。每个神经元都可以有一或多个树突，可以接受刺激并将兴奋传入细胞体。每个神经元只有一个轴突，可以把兴奋从胞体传送到另一个神经元或者其他组织，如肌肉或腺体。图1-1一个神经元的典型特征不同部位、不同种类的神经元，其胞体大小和形态各异，甚至同一种类的神经元也相差很大。单就大小而言，其直径在3-155um之间，如人类小脑颗粒细胞之间约为5-8um，而脊髓运动神经元直径可超过120um。胞体的形态有圆形、椭圆形、锥形、梭形等。如果加上突起，神经元的形态和大小就更加千差万别，从突起的长短看，有

5、的很短，有的长达1m以上；就突起的多少而言，有一个、两个的，也有成千上万的。一个神经元通常只有一个轴突。也有的神经元缺乏轴突，只有树突。而且树突的多少、长短和分布是多种多样的，故整个神经元的形态，主要由树突决定的。如果神经信息编码是存在于脉冲序列之中[1]，神经回路是处理这些脉冲序列信号的基础。而回路的基本单元是神经元，首先要考虑一个神经元的输入输出的变化关系。当一个神经元有成千上万个树突，会引发一个问题，就是信息海量输入的问题，如图1-2，是一个小脑中的浦肯野细胞（是从小脑皮质发出的唯一能够传出冲动的神经元

6、，浦肯野细胞轴突穿过颗粒层和白质到达深部小脑核团，浦肯野细胞在运动协调中起着重要的作用），树突可多达15万个，也就是有15万的突触信息输入处。这么多的突触会使人们产生很多不可理解的猜测。1)从生理实验上看，脑中神经脉冲一般工作在几十到几百HZ的范[1]李轶.神经信息处理及其应用[D].浙江大学，2011:100-107.围内，最高不会超过1000HZ。如果一个突触1秒钟内接受一个脉冲，那么十几万个突触就有十几万个脉冲/秒，这表明细胞工作在1MHZ以上的频率，一个细胞根本不可能工作在这样高的脉冲频率上。如果说细

7、胞在高频输入中都是处于阈值以下工作状态。如果细胞每接收10个脉冲兴奋一次（输出一个脉冲），则神经脉冲输出仍然有好几万。已使神经元处于饱和状态。每一信号都可以有一个耦合强度问题，要使细胞正常工作，平均耦合强度应在1/100。这种情况即使树突内传递处在阈值以下的分级电位状态，这么小的耦合强度已使突触很难传递信号。而且从实验可看出，树突中是存在动作电位的，也就是说工作在阈值以上。2）有一种可能的猜测，在平时这些与该细胞相连的十几万个细胞，都没有神经脉冲发出。当一、二个突触分支都有信号输入时，其他信号不会输入，这种状

8、态不太可能存在。要知道神经系统是靠神经脉冲来维持它的生命的“健康”状态的条件，如果没有神经脉冲，则这些轴突和相连的细胞突触一定会萎缩掉。这些现象可从神经伤残病人中看出。神经元不管是否工作，每一突触一定会保持一定频率的脉冲序列存在。这种脉冲的出现是神经系统中存在大量脉冲噪声的原因。实验也可证明，脑在休息时还是有脉冲信号存在。3）十几万个信息综合能代表什么？特别是靠一个细胞能综合出什么？实在使人难以理解