大脑皮层神经编码理论教学.pdf

大脑皮层的神经编码理论 王卫东 解放军总医院生物医学工程 前言 • 脑科学一项重要任务: – 建架生理学和心理学之间的桥梁 – 研究大脑及其功能，即神经活动和心理活动 • 皮层编码理论研究存在的障碍 – 神经生理学的一些细节还不太清楚 – 大脑功能研究未成熟，如脑功能定位 – 大脑进化过程的细节还不清楚 问题提出 皮层编码指神经生理学模式和神经心 理学模式之间的对应关系 • 心理活动是如何产生的? • 心理活动存在的物质基础 • 心理图象(Mental Image)的表达 • 存在没有身躯的心理活动吗？ • 没有心理活动就没有问题提出 研究趋势 • 神经生物学的发现 – 神经解剖：脑区之间存在着回路和动态双向交换 – 神经电活动：神经元及其组之间的振荡和相干振荡 – 病理证据：假肢痛现象等 研究趋势 • 实验神经生物学的进展 – 功能成像：空间分辨力脑区，时间分辨力较 低，灵敏度较低。 – 基因工程：行为基因已经在一些实验室克隆， 如克隆公鸡等。 – 移植工程：大脑核团的移植，在临床医学上有 可能不久成为现实。 • 这些领域的进展将对脑科学的研究起到极为重要的作用。 研究趋势 • 理论神经生物学的提出 – 直接知觉不变性和不变性知觉调谐 – 神经组选择理论(TNGS)的Darwin主义 – 心理活动马赛克理论的Darwin主义 – 皮层振荡和同步振荡假说 – 心理子(Psychon)假说 – 等等 理论框架— （1） • 大脑皮层的工作环境 – 脑内环境：神经递质、神经调质和神经肽 – 脑外环境：物理定律、生态环境和格式塔 – 感觉信道：数学理论、信息论和等级描述 脑内世界-生理状态 • 皮层内生物化学状态,即神经肽和四个主要的神 经递质(调质) 的比例。它们是 – 乙酰胆碱(acetylcholine ), 复合胺(Serotonin),去甲肾上 腺素(norepinephrine)和多巴胺(dopamine)等。 • 皮层外自治系统的生理状态,即主要的大脑核团 向皮层的输入值和状态。它们是 – 脑干(brain stem), 下丘脑(hypothalamus), 基底神经节 (Basal ganglia)和小脑(cerebellum)等。 客观世界-外部刺激 • 由物理定律和数学定理所描述的各种刺 激人类感官的自然现象，如 – 物理学规律约束下的自然现象，如电磁学， 光学，波动学，声学，运动学，动力学等中 的物理定律。 – 数学规律约束下的自然现象，如欧几里德几 何学等中的数学定理。 感觉信道 • 感觉数据流的信息与知识 – 信息：过去和现有的部分数据流不可预测。 – 知识：数据流的结构和规律性。 – 结构：数据流反映的客观世界的翻译体系。 – 规则：数据流反映的客观世界的预测步骤。 • 数据流的结构和规律性是冗余。 理论框架— （2 ） • 大脑皮层模式 – 锥体细胞与皮层构筑 – 功能柱与功能柱阵列 – 皮层脑区与大脑核团