人腦的神經元是怎麼處理信息的？

12-05

還好題主問的不是人腦是怎麼處理信息，是裡面的神經元是怎麼處理信息，但也很複雜，至今沒完全搞定，嘗試以現有的知識回答一下。
我們可以從抽象到具體一層一層的看。
1. 信息處理過程包括接受輸入，處理，輸出這麼三個階段。對應到一個典型的神經元上就是樹突，胞體，軸突(ps.胞體也可以接受輸入，樹突也可以進行處理計算)。
2. 神經元之間傳輸的信號是01這種數字信號(體現形式是動作電位)，現在一般認為是靠頻率編碼，也有人認為其中的場電位也編碼了信息。通俗的說，就是啪啪啪的速度快慢代表的意義不同。
3. 成千的樹突以及胞體接受了其他神經元傳來的信號，同時進行計算。一種說法是時空整合(spatial summation ad temporal summation)，因為1) 樹突的位置不一樣，2)樹突接受的信息的時間不一樣，等各種信息奔跑到軸丘的時候，會有個閘門豎在那，小夥伴們堆起來夠高就閘門就在軸突上產生一個動作電位，可是有的小夥伴還沒趕到，或者大家又都是瘦子，閘門會完全不鳥這些信息，這些信息於是就消失在風中。
4. 注意到在胞體內部就不完全是一種線性的數字的處理過程了。另外突觸可以分為興奮性突觸和抑制性突觸。比如雖然來了很多信息小夥伴有望產生一次動作電位，但是維穩的戰士們也來了很多，於是信息再次消失在風中。
6. 前面說的各種信息小夥伴和維穩戰士在神經元上的體現就是膜電位。這些電流需要流經整個胞體，使得峰電位起始區(軸丘那塊)膜去極化超過閾值才能產生動作電位。
7. 為什麼樹突和胞體能這麼整合信息呢？和他們的微觀結構有關係，這塊不熟，與膜上的離子通道有關。
8. 什麼是去極化超極化動作電位呢？見初中生物課本。
9. 生物學中總有特殊情況，以上為典型情況。
&> 比如膜上電流也是可以從胞體向樹突傳遞的

p.s. 人腦容量有限，同時存儲和定址也是非線性的，神經元群體的信息的處理過程也是充滿著不確定性，能不能說是一個圖靈機有待探討。

Reference:
神經科學 (豆瓣) 第4和第5章。

作者：許鐵-巡洋艦科技
鏈接：知乎專欄
來源：知乎
著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

物理學家最基本的思維方式是分解和還原。就如同費曼當年所說，如果世界毀滅，我們要留一句話給未來的文明，那就是-世界是由原子組成。基本粒子-已經成為我們理解世界的最基本思想。

那麼當我們想要觸及那個終極的秘密-我們是如何思考的，我們也一定要問什麼是認知的基本單元。生物學家給出的答案是-神經元（Neuron）。認知的基本單元，我們叫做神經元，意及組成神經系統的細胞。

我們還由我們熟悉的電腦做比喻，看細胞如何能夠成為認知的基本單元。電腦是簡化了的對人腦的模擬。一台電腦，早已被偉大的人工智慧之父阿蘭圖靈的概念模型圖靈機解釋明白了。電腦就是能夠輸入信息，處理信息和輸出信息的機器。它能夠根據內部的狀態來處理輸入信號，給出適當輸出並且存儲信息。

計算機的基本單元是什麼？晶體管。它可以把電壓這個模擬信號轉化為0，1的數字信號。粗略的看，神經元其實就是一個晶體管。他接受信號並轉化為電壓，當電壓高過一定閾值，他就會發放信號告訴其它神經元我接受到了超過閾值的電信號。

既然晶體管能作為計算機的基本單元，那麼神經元也可以作為大腦認知的基本單元，平淡的概念，無奇的討論。可是這樣我們很快就會問，這樣我們的大腦還和電腦有什麼區別？

這一點我在《你為什麼需要計算神經科學》一文中論述過了，電腦是人類設計的產物，有一張在出生之前就寫好的藍圖，它的功能，它的命運就想一台精密的鐘錶，在出生前就給定，上上發條就開始轉。而人腦呢，它是幾十億年生物衍化自生的產物，憑藉一位出色的立法者制定的自然法則，通過一群細胞的自組織，就產生了出來。

那麼再次審視之前那個問題，我們發現，原來神經元遠不是一個晶體管能夠取代的，它比晶體管強悍太多。其實一個神經元本身，更像一個微電腦。

首先，神經元的基本結構是樹突，胞體和軸突（如上圖）。這樣一個結構，就像網際網路上的一台電腦，它有一部接受器-樹突，接受其它電腦發來的脈衝，一部發射器，軸突，放出自身的信號。只不過樹突和軸突是有形的生物組織，他們象樹枝，根須一般延伸出去，不停的探知外界的情況並調整自己。 而電腦在網路中的連接就沒那麼主動了。神經元的胞體，更像一個微處理器，通過它那複雜的化學反應履帶，對信號給出適當的處理。

既然神經元是一台微電腦，那麼它就有更基本的信息傳輸單位，它就是是離子通道。離子是神經信號的物質載體，而離子通道就是控制細胞內外信息交換的門，因此，離子通道是神經元的輸入和輸出端子，有了他們神經元才能夠感知外界的變化，然後發出信號，和其他神經元對話。因此離子通道就是神經元的信息門，神經元的晶體管。

說它是晶體管，因為它實現一種形式的模數轉化，神經元上遍布著離子通道，離子通道的本質是感測器，目前已知的離子通道就多達數十種，每種離子通道可以感受不同的信號，有的對通道前後的電位差敏感，有的對光子敏感，有的對某種離子敏感，有的對特定化學物質敏感。但總之都是把各種紛繁的模擬信號轉化為開門和關門的數字信號。當一扇門打開，信息的載體-離子就得以自由進出細胞，從而引起細胞內環境的變化，而細胞內環境的變化反過來引起離子通道的打開或者關閉，這樣的機制，使得一個細胞成為一個小小的圖靈機，接受和處理信號改變細胞自身的狀態，而狀態改變又導致接受和處理信號方式的改變，反饋循環周而復始。

細胞的信息傳輸單位-離子通道。

樹突離子通道對一種特定的有機分子-神經遞質敏感，神經遞質是一種細胞分泌的化學物質，是細胞間通訊的信使，當樹突離子通道碰到其他神經元釋放的神經遞質，它就自己打開，讓某種離子通過。

軸突和胞體上的離子通道往往對通道前後的電位差敏感，當細胞膜內外的電位差超過一定閾值，它就打開，低於這個閾值，就處於關閉狀態，就好比晶體管的0和1態。

離子通道的開啟可以有力的調控細胞內的電壓，而細胞內電壓則是整個細胞通訊的基礎。 神經元的信息載體，被稱為「spike」 -脈衝。脈衝的產生是一個細胞內電壓急速上升然後回落的過程，這是一個典型的由離子通道調控的正反饋過程。離子通道打開，引起細胞內電壓上升，而細胞內電壓的上升導致更多離子通道打開。 這樣一個循環就是神經元的脈衝。對於這一過程的描述有一個極為偉大的生物物理方程組Hudgkin Huxley equation精確表述，其地位無異於麥克斯韋方程之於電磁學。將在後續篇幅詳述。

神經元的脈衝信號「spike」

上圖展示了神經元是如何通過離子通道對話的。圖中上半部的排骨棒棒就是軸突，它是神經元的輸出端子，軸突末端安插的那些通道就是感受電壓的離子通道，當神經元脈衝（spike）到來的時候它打開讓鈣離子通過，而鈣離子將導致軸突里儲存的神經遞質釋放，它們將作為該神經元的信使，降到下面一個細胞的樹突（圖中下方的平面）前端，告訴下一個細胞，上面的細胞已經high了。而下一個神經元，正是通過覆蓋其上的該種化學遞質的感測器來接受這個信號，當遞質到達，門打開，鈉離子進入膜內，引起下一個細胞的興奮。這些過程都非常迅速，在毫秒量級。

離子通道是神經元的晶體管，對它們的理解也打開了人類反向控制神經元的大門。通過精確的調控離子通道，我們可以控制神經元的信號發放給大腦進行「編程」。人類已經通過加入一組對光敏感的離子通道成功的控制了小鼠大腦的神經元，這種技術被稱為光遺傳（Optogenetic）。

這是科學史最有趣的故事之一。在遙遠的海洋里，一種藻類生物能夠產生一種對光線非常敏感的蛋白質，這種蛋白恰好可以作為神經元的離子通道。於是科學家就把這種蛋白質對應的基因找出來，放入小鼠的細胞核內，使得它們在神經元的發育過程中表達這種光敏基因，這樣我們就得到了一組對光線敏感的離子通道。而人類就可以通過光線控制這組離子通道，從而控制神經元的放電。如此，遠古海洋的藻類，不，應該是科學家，就打開了我們認知大腦的革命性方法。

革命性的光遺傳技術

光遺傳技術已經成功的在小鼠腦內使用，此前，MIT科學家實現了通過此實現了「記憶移植」實驗，詳情請見http://www.washingtonpost.com/national/health-science/inception-mit-scientists-implant-a-false-memory-into-a-mouses-brain/2013/07/25/47bdee7a-f49a-11e2-a2f1-a7acf9bd5d3a_story.html ，而最近發表在nature上的一篇文章介紹了如何運用光遺傳學技術實現腦深部光刺激小鼠背側紋狀體產生對帕金森病小鼠的治療效應的http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature18942.html

（雖然此文主題是更加深入地探究多巴胺缺失在帕金森病中的作用，但是，可以預見，腦深部光刺激術將成為繼腦深部電刺激術後的又一革命治療技術。改天詳細扒扒腦深部刺激術的前世今生以及與心臟起搏器的親戚關係。另外，以色列有利用光遺傳學開發心臟光起搏器的！感興趣者聯繫以色列理工大學的鐵哥~）

神經元猶如一台精巧的微電腦，而由它組成的網路更是如同一個活生生的社會，可以靈活的組合，根據近期的活動改變網路連接。單個神經元的複雜度也是目前所有電腦所望塵莫及，我們認識整個大腦的道路就更路漫漫而修遠了。

本文首發於微信公眾號混沌巡洋艦（chaoscruiser）

生物業餘說一句：簡單的講是每個神經元受到一定條件的刺激後，對其他神經元產生刺激或者抑制。一來二去，就構成一個圖靈機了。