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神经元之间的互动

课程概述神经元基础了解神经元结构与功能突触传递探索神经元间信息传递机制神经网络

什么是神经元？神经系统基本单位构成神经系统的功能细胞信息传递处理中心接收、整合、传递电信号高度特化细胞

神经元的基本结构细胞体神经元的控制中心树突接收其他神经元信号轴突

细胞体的功能代谢中心进行蛋白质合成和能量产生整合信息汇集树突传来的信号决策中心

树突的作用1信号接收从其他神经元获取信息2初步处理局部处理输入信号3信号传导将信号传向细胞体

轴突的特点长距离传导可延伸至远处目标细胞单向传播信号从细胞体到末梢末梢分支形成多个突触连接

神经元的类型感觉神经元传递感觉信息至中枢运动神经元传递指令至肌肉和腺体中间神经元连接其他神经元形成网络

神经元的电生理特性静息电位神经元未激活状态电位动作电位神经元信号传递的基础电位变化从静息电位到动作电位的转换

静息电位-70mV典型值正常神经元静息状态电位K+主要离子细胞内钾离子浓度高Na+钠离子泵主动维持离子浓度差异

动作电位去极化膜电位快速升高峰值电位达到+30mV左右复极化膜电位迅速下降超极化短暂低于静息电位

动作电位的阈值临界电位约-55mV触发动作电位全或无反应超过阈值则完全激活编码原理刺激强度转化为放电频率

离子通道

神经元之间的连接：突触功能连接神经元间信息传递的接口化学突触通过神经递质传递信息电突触通过缝隙连接直接传递

化学突触突触前神经元释放神经递质突触间隙神经递质扩散区域突触后神经元接收并响应神经递质

突触前膜突触小泡储存神经递质的囊泡钙离子通道控制神经递质释放主动区突触小泡融合释放位点小泡循环回收再利用膜组分

突触后膜受体蛋白识别并结合特定神经递质离子通道介导突触后电位产生突触后致密区锚定受体蛋白的区域

突触间隙20-40nm宽度范围神经递质扩散的距离0.2ms扩散时间递质从释放到结合受体100+酶类数量负责降解神经递质

神经递质的类型兴奋性神经递质谷氨酸乙酰胆碱多巴胺抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)甘氨酸5-羟色胺(部分)

常见神经递质乙酰胆碱神经肌肉接头主要递质谷氨酸大脑中主要兴奋性递质γ-氨基丁酸大脑中主要抑制性递质

神经递质的合成和储存合成过程细胞体内特定酶催化轴浆运输沿轴突运至突触前膜小泡储存包装入突触小泡内

神经递质的释放动作电位到达突触前膜去极化钙离子内流电压门控钙通道打开突触小泡融合与突触前膜合并递质释放扩散至突触间隙

突触后电位兴奋性突触后电位使膜电位去极化增加产生动作电位概率抑制性突触后电位使膜电位超极化降低产生动作电位概率

时间和空间整合时间加和同一突触多次激活累积空间加和多个突触同时激活叠加综合计算共同决定是否达到阈值

突触可塑性短期可塑性突触易化突触抑制持续秒至分钟长期可塑性长期增强作用长期抑制作用持续数小时至终生

长期增强作用（LTP）高频刺激突触前神经元重复激活NMDA受体激活钙离子内流增加信号级联反应激活蛋白激酶突触增强受体数量和敏感性增加

长期抑制作用（LTD）低频刺激1-5Hz重复激活低钙离子内流激活磷酸酶而非激酶受体内吞AMPA受体从突触膜移除

突触可塑性的意义1高级认知功能意识和自我形成基础2记忆形成短期和长期记忆建立3学习能力新知识和技能获取

电突触结构特点细胞膜直接相连传递特性双向传递，速度极快分布区域主要存在于心脏、平滑肌

缝隙连接连接蛋白亚单位跨膜通道通道蛋白连接分子

神经元网络基础神经元连接体系多个神经元形成功能性网络信息编码模式通过放电模式表征信息分布式计算并行处理多维度信息

神经环路简单反射弧感觉-中间-运动神经元环路调节抑制和兴奋平衡复杂网络多层次信息处理

前馈网络输入层接收原始信号处理层提取特征和模式输出层产生最终反应

反馈网络信号传递前向传播信息1反馈调节返回修饰输入2信号放大增强重要信号3信号抑制减弱无关信号4

侧抑制对比增强突出信号边界信息过滤抑制周边无关信号感知锐化提高感觉分辨率

振荡网络时间(ms)神经元A神经元B

神经元群体编码频率编码放电频率携带信息频率越高，刺激越强时间编码放电精确时间点携带信息时间模式表示信息内容群体编码多个神经元共同表征提高信息容量和可靠性

神经元群体解码

神经元之间的协同作用同步化神经元群体一致放电2去同步化放电模式变得不相关3节律形成产生特定频率脑电波

神经元集群功能柱垂直排列的神经元群皮层模块处理特定信息的基本单位神经核团具有相似功能的神经元集合

大脑皮层的层状结构

神经元之间的竞争优势活动最活跃神经元抑制其他突触资源分配活跃连接获得更多资源3功能空间竞争皮层区域代表性竞争

神经元适应性短期适应离子通道动力学变化神经递质耗竭秒至分钟尺度长期适应受体表达水平调整突触结构重塑日至月尺度

神经元可塑性与学习Hebb法则共同活动的神经元连接增强竞争性学习有限资源下的连接优化强化学习