神經(jīng)元模型在腦科學(xué)中的發(fā)展現(xiàn)狀研究

付燕 王國威

摘 要：基于神經(jīng)元模型及其構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，總結(jié)神經(jīng)元模型及其網(wǎng)絡(luò)在腦科學(xué)中研究的發(fā)展歷程，并對其重要意義進行概述和展望，分析國內(nèi)腦科學(xué)研究機構(gòu)的分布情況，以期對腦科學(xué)基礎(chǔ)研究的初學(xué)者有一定幫助。結(jié)論表明，腦科學(xué)研究致力于闡明神經(jīng)信號處理機制、腦結(jié)構(gòu)及其功能的發(fā)育和可塑性。地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展情況與當(dāng)?shù)氐哪X科學(xué)研究機構(gòu)的建設(shè)情況有直接關(guān)系。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)元;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);腦科學(xué);神經(jīng)科學(xué);腦疾病

一、引言

人腦中包含近1000億個神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，這些神經(jīng)細胞組合在一起構(gòu)建成完整的人腦結(jié)構(gòu)，具有特別復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)，他們的主要功能是負責(zé)神經(jīng)信息的收集、整合、處理和傳遞。對于同一大腦區(qū)域的每個神經(jīng)元而言，他們不僅具有相對獨立的電生理活動，而且還能相互作用，實現(xiàn)共同的生理功能，從而確保人腦的功能的完整性。

大腦的奧秘啟發(fā)了許多研究人員，數(shù)以萬計的研究人員癡迷于探索神經(jīng)電活動的工作機制。20世紀80年代左右，人們開發(fā)了各種人工神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)的不同電活動，如 Hodgkin-Huxley（HH）模型、FitzHugh-Nagumo（FHN）、Morris-Lacar（ML）模型、HR模型、Chay模型、Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（HNN）、細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）等等。關(guān)于神經(jīng)元模型中的神經(jīng)電活動，包括周期脈沖、周期爆發(fā)和模式轉(zhuǎn)換等都得到大量的研究。時至今日，大腦仍然是人類認知的“黑洞”?？茖W(xué)界也將腦科學(xué)稱為“人類科學(xué)最后的前沿”，因此腦科學(xué)是當(dāng)今世界科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

二、模型研究

在此之前，有很多研究機構(gòu)開始研究腦科學(xué)，主要研究方向包含3類。第一類是研究神經(jīng)活動基本過程，包含神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和突觸傳遞、感覺信息處理及其機制、神經(jīng)系統(tǒng)功能發(fā)育、再生和可塑性等問題;第二類研究腦的高級功能，包括學(xué)習(xí)和記憶的細胞和分子機制、睡眠覺醒調(diào)節(jié)和呼吸睡眠疾病的分子和中樞機制、腦復(fù)雜認知活動的功能成像研究;第三類研究神經(jīng)系統(tǒng)重要疾病機制與防治，包括急性神經(jīng)損傷和神經(jīng)退行性疾病的機制及防治研究、癲癇等腦疾病的發(fā)生機制及防治研究、特殊感覺障礙的功能重建、針刺治療的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)等。

研究這些問題的出發(fā)點是1952年由Hodgkin和Huxley提出的HH神經(jīng)元模型。該神經(jīng)元模型是基于單神經(jīng)元電生理的實驗提出來的，它描述真實神經(jīng)元的尖峰行為和不應(yīng)期，并作為基于離子通道非線性電導(dǎo)的尖峰神經(jīng)元的范例。

1962年，F(xiàn)itzHugh等引入從四維HH模型中簡化出來的二維FHN模型來描述神經(jīng)元的興奮性和峰值放電。1981年，Morris和Lecar提出簡化的HH模型，稱為ML模型。該模型是一種生物神經(jīng)元模型，用于再現(xiàn)巨大藤壺纖維中與鈣離子和鉀離子電導(dǎo)相關(guān)的各種振蕩行為。1984年，Hindmarsh和Rose提出HR模型，該模型不僅可以有效地促進計算，而且可以產(chǎn)生真實生物神經(jīng)元表現(xiàn)出的大部分放電行為，比如靜息態(tài)，尖峰放電和簇放電。HR模型包含一類2維模型和一類3維模型。1985年，為了重現(xiàn)β細胞的放電行為，Chay開發(fā)一個三維神經(jīng)元模型，可以模擬爆炸和混沌放電。1984年，Hopfield提出一種理想的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于其較強的非線性和靈活的代數(shù)表達式，HNN特別適合于模擬大腦中的各種復(fù)雜的動力學(xué)行為，特別是混沌行為。1988年，Chua和Yang提出一個基于蜂胞自動機和Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蜂窩神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

一直以來，大量的科研人員致力于探索一個更加接近真實神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型，并為此付出不懈的努力。多個神經(jīng)元模型的問世，也意味著關(guān)于人腦功能與神經(jīng)元模型的探索將一如既往地繼續(xù)下去。

三、討論與分析

神經(jīng)系統(tǒng)由大量的神經(jīng)元組成，而一個神經(jīng)元是一個神經(jīng)元系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的基本單元。電生理實驗表明，神經(jīng)元是高度復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，在不同離子濃度下表現(xiàn)出豐富的放電模式。神經(jīng)元的復(fù)雜放電是由神經(jīng)元細胞膜內(nèi)外的離子電流相互作用產(chǎn)生的。

在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)多家機構(gòu)對腦科學(xué)研究產(chǎn)生濃厚的興趣。腦與認知科學(xué)國家重點實驗室2005年經(jīng)科技部批準建設(shè)，2007年通過驗收并正式開放運行。2011年11月18日，美國國際數(shù)據(jù)集團與北京師范大學(xué)簽署捐建協(xié)議，成立北京師范大學(xué)IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院。2013年11月24日，清華大學(xué)-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院揭牌典禮在清華大學(xué)鄭裕彤醫(yī)學(xué)樓腦科學(xué)研究院舉行。2014年11月16日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院與麻省理工學(xué)院麥戈文腦科學(xué)研究所合作共建的腦認知科學(xué)和腦疾病研究所正式揭牌。2018年5月14日，上海腦科學(xué)與類腦研究中心揭牌儀式在張江實驗室舉行。2018年10月26日，教育部同時下發(fā)6個文件，決定對6所頂尖名校的6個不同前沿科學(xué)中心進行立項，其中包括浙江大學(xué)腦與腦機融合前沿科學(xué)中心。2018年9月14日，浙江大學(xué)發(fā)布實施《腦科學(xué)與人工智能會聚研究計劃》。

在眾多腦科學(xué)研究機構(gòu)中，全國先有神經(jīng)科學(xué)研究機構(gòu)數(shù)量為65個。其中，華東地區(qū)的神經(jīng)科學(xué)研究機構(gòu)數(shù)量明顯多于其他地區(qū)，共計有25個。華南地區(qū)13個，華北地區(qū)12個。西南地區(qū)有7個，東北和西北各有3個。華中地區(qū)數(shù)量最少，只有2個。而在華東地區(qū)，江浙滬三地的神經(jīng)科學(xué)研究機構(gòu)的數(shù)量就達到17個，比西南、東北、西北和華中地區(qū)數(shù)量的總數(shù)還要多。由此可見，經(jīng)濟發(fā)展程度與科學(xué)研究之間也存在一定關(guān)聯(lián)，經(jīng)濟越發(fā)達的地區(qū)，對腦科學(xué)研究投入也就越多，其科研機構(gòu)數(shù)量也越多。

四、結(jié)論與總結(jié)

對神經(jīng)元模型的基本發(fā)展歷程進行回顧，總結(jié)現(xiàn)階段國內(nèi)腦科學(xué)研究機構(gòu)的分布情況，分析現(xiàn)階段腦科學(xué)研究的主流方向。研究發(fā)現(xiàn)國內(nèi)腦科學(xué)研究結(jié)構(gòu)的設(shè)置情況與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展具有深度的聯(lián)系，上海市作為經(jīng)濟、科研和教育中心，擁有10所腦科學(xué)研究機構(gòu)，而作為科研和教育重地的華中地區(qū)湖北省只有1個腦科學(xué)研究機構(gòu)。研究腦科學(xué)將進一步增加人類對自身的認識，并逐漸提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)對科技應(yīng)用的支持。

參考文獻：

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