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浅析将现代物理学中的理论和方法应用于神经科学 关键词：生命科学;物理;问题 神经系统是结构和功能极其复杂的生命信息处理系统。对神经系统的深人研究，将为最终解决意识与思维之谜，开辟前进的道路。但是神经科学的发展，一刻也离不开现代物理学的理论与方法的先导和支持。从生物物理学的角度出发，着重介绍生物神经网络的构成与运行特征，并进一步探讨将现代物理学中的某些理论和方法，应用于神经科学研究的可能性。 关扭词生物神经网络，神经信息双重编码，高维信息编码空间，分形与分维，正电子断层图在自然科学的研究领域中有四大疑难问题，亦可称之为四大谜，即:(l)物质结构之谜;(2)宇宙起源之谜;(3)生命过程之谜;(4)思维本质之谜。 物质结构和宇宙起源问题属于物理科学的研究范畴，而生命过程与思维本质的研究则属于生命科学的范畴。20世纪是物理科学取得辉煌成就的世纪。在微观和宇宙观方面，人们对物质结构和宇宙起源的认识，比起上一世纪，已取得飞跃的进展。科学家预言，21世纪将是生命科学的世纪。不同领域的科学家将共同努力，为解决生命过程之谜和思维本质之谜开展协作研究。 从历史上看，生命科学的发展一直依赖于物理科学的进步。现代物理学中的新概念、新理论和新方法对生命科学的研究，对揭示生命复杂过程的机制，起着关键性的先导和启示作用。1933年著名的量子论奠基人波尔田在他的讲演《光与生命》中即提出用量子力学的方法研究生命科学的观点。另一位量子力学创建人薛定愕图在他的著名论述《生命是什么》一书中，即明确提出生命依赖于负姥的观点，并预言，生命的信息即存储于非周期性的晶体之中。正是由于波尔和薛定愕等理论物理学家的倡导，一批优秀的物理学家转人生命科学研究的领域中来，导至DNA双螺旋结构的发现。1954年著名的理论物理学家，大爆炸理论的创始人伽莫夫以其天才的预见，提出核昔酸三联密码的理论[31。遗传密码的发现使生物学家掌握住理解生命活动规律的钥匙，为分子生物学的发展，奠定了坚实的基础。 至于阐明意识与思维活动的奥秘，问题显然是更加困难得多了。这是因为大脑是结构和机能极其复杂的非线性系统，它不单是认识的主体，而且也成为认识的客体。因此单纯依靠用生物学的观测与实验方法，是很难理解整个大脑神经网络的工作原理和活动规律的，这就必须借助于现代物理学的新概念、新理论和新方法，建立研究脑工作原理的新的理论体系和新方法，才能解决生物神经网络所遇到的复杂性难题。 80年代初期，H叩field[4J根据物理学中的“自旋玻璃”(spinglass)的相互作用理论，建立了具有广泛回路的人工神经网络理论。他还首次引人计算能量函数的概念。Hopfield应用Issing的自旋玻璃系统理论证明，计算能量是有界函数，而且在状态空间中有局域极小值，这是联想记忆的基础。 人工神经网络理论和研究方法的出现，给生物神经网络的研究带来了新的冲击和希望。人工神经网络中的突触连结强度的动态调整，并行处理的计算原则，信息的分布式存储和按内容寻址，网络能量函数局域极小值的形成和演化，神经网络的稳健性(robuso与高度容错性，非线性连结的高阶神经网络特性，突触和突触之间的相互作用，自学习、自组织和自适应以及具有联想记忆的功能等，都和脑的工作原理十分相似。因此，认真结合生物神经网络的特点，充分利用人工神经网络研究中的新成就以应用于生物神经网络活动规律的研究中来，成为当前神经科学的前沿领域。 一、生物神经网络的特点及其与人工神经网络的比较 大脑的结构和功能虽然十分复杂，但却是由一种主要的元件组成。组成大脑的基本单元称为神经元。100年前，著名的西班牙神经学家卡哈尔(Caial)首创神经元学说(neuronedoctrine)，他认为神经系统是由神经元组成，神经元是神经系统的结构单元和功能单元。神经元之间以突触相互连结，组成复杂的生物神经网络。神经元学说奠定了大脑结构的物质基础，是神经科学发展的重要里程碑，卡哈尔亦因此而荣获诺贝尔奖。人脑约有10”一1011个神经元。神经元的大小和形状差异很大，但其主要结构都是由三部分组成，即胞体、树突和轴突。树突比较粗短而且反复分支。在功能上树突和胞体是神经元的感受和整合(integration)部位。树突和胞体接受外界或来自其他神经元的传人信息并加以整合，再传导至轴突。轴突的长短不等，有的神经元轴突很短，只有几微米;有的很长，超过一米以上。轴突发出多个侧支，最后反复分支形成复杂的神经末梢。其终末部分膨大，与其他神经元建立突触联系。突触的数目很多，据估计人类大脑皮质的一个神经元可有多达103一10‘个突触。突触是两个神经元之间的功能性接触部位，由突触前膜、突触间隙和突触后膜三部分组成。突触后膜上有许多神经离子通道