生物智能的信息處理方式在大腦中是模擬信號還是數字信號？

01-15

學過電子的同學都知道，信息的傳遞和處理可以用模擬信號或者是數字信號來傳遞，那麼生物智能的信息處理方式是模擬信號還是數字信號？其實我感覺是模擬信號的...

我不是學電子的，就把問題粗淺得理解為「神經信號是連續還是離散的」吧。我被統計學洗腦太久，覺得不管表面看到的是離散的還是連續的，都可以用連續的統計量去建模分析 (比如0/1伯努利分布里的發生1的概率)。如果題主覺得跑題請無視。

除了外周系統的初級感受器以外，高級生物大腦皮層的大多數神經元是靠發放動作電位(action potential)傳遞信息的。這種動作電位是很短的脈衝狀的，峰值和時間長度對同一種神經元來說是固定的，所以大概可以看做是是離散信號。在對神經元電位進行統計分析的時候，可以把每次動作電位的發放看做一個隨機事件，靜息為0，發放為1，因此被稱為neural spikes (貌似譯作神經鋒電位)。

但是信息是如何被這種信號編碼的呢？比較常用的發放頻率(firing rate)編碼。在微小的時間段內, 一個神經元是否發放(0/1) 可以看做拋硬幣 (伯努利分布)，發生1的概率定義為發放頻率，這一發放頻率通常和編碼的信息相關。例如在初級運動皮層，一些運動神經元的發放頻率和手臂運動的方向(與水平線夾角)相關，以某一個角度為中心呈餘弦(cosine)狀。見下圖 [Georgopoulos et al., 1982]。不同的神經元對不同的角度最敏感，因此記錄一群神經元的鋒電位，可以解碼手臂移動的方向。這也是用腦機介面(brain computer interface)控制機械手臂運動的基本原理之一 (可翻牆的同學請看youtube酷炫視頻 https://www.youtube.com/watch?v=wxIgdOlT2cY 或者 Andy Schwartz 實驗室網頁http://motorlab.neurobio.pitt.edu/research.php).

發放頻率和運動方向(角度)的關係 [Georgopoulos et al., 1982] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7143039

第二種編碼是用鋒電位發放的時間來編碼的。這個我覺得可能已經算是連續信號了。

鋒電位的每一個鋒(spike)會通過神經元間的突觸(synapse)傳遞給下一個神經元。取決於突觸是興奮還是抑制性的，這個鋒會讓下游神經元的細胞膜電位增大一點或者減小一點。下游的神經元通常需要積分一段時間內的多個上游輸入，當疊加達到閾值才會發放動作電位。我覺得各個突觸的強度可能不均勻，而且強度可以受很多因素調控，所以這個在達到閾值前的膜電位也更接近連續信號。

另外評論中提到的局部場電位(local field potential, LFP)一般認為是局部範圍內很多神經元膜電位的疊加，所以也可以認為是連續的。局部場電位經常會周期性震蕩 (oscillation), 鋒電位發放頻率也常常和震蕩的頻率或相位相關。LFP的震蕩似乎也可以編碼信息，但是目前大家還在爭論這些震蕩是不是一群神經元集體行為的副產物，總之也是研究熱點。

所以總結一下，我覺得統計分析的時候總是可以用連續的變數建模的，所以離散或是連續可能並沒有那麼重要。但是離散的鋒電位應該比連續的電位在進化上有好處，比如由於神經元產生動作電位的物理過程，以及髓鞘的包裹，鋒電位傳得很遠，但是幅度不衰減，所以比較穩定。

參考文獻：

Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T.
(1982). On the relations between the direction of two-dimensional arm
movements and cell discharge in primate motor cortex. The Journal of Neuroscience, 2(11), 1527-1537.

========================================================

第一次答知乎，很多專有名詞都不知道中文如何翻譯，如有錯漏請包涵，歡迎挑錯。

@楊穎已經回答的很好了。我想從另外一個角度說一下對這個問題的看法：不要把人腦用工程學的標籤來進行分類！人腦的運算規則具體是什麼，我們還知道的太少，但是可以肯定的是它和我們的工程上的計算規則肯定是不一樣的。因此簡單的用一個數字信號還是模擬信號來對大腦信息處理來添加標籤是不合適和不準確的，也是沒有必要的。

如果真要貼標籤的話，那我就選擇模擬信號。動作點位雖然呈現出來一種0/1 的狀態，但是它的具體時間點依然是在一個連續空間上的，在0到T時間段內任意時刻都可以發放，時間點有理數無理數都可以。然並卵，在科研時候分析的數據都是採樣過的，都是離散的。

數字信號和模擬信號是電路的概念，可能用在神經科學裡都不太合適。在形式上看，神經元通過放電脈衝（spike）傳遞信息，它是格式化的，可以看成數字化的。但是在運算上又轉化成電位電流等模擬量了。這個轉化過程就要考慮編碼問題，不過不論是時間編碼(temporal code)還是頻率編碼(rate code)都可以把放電看成模擬量。

拓撲信號

佔位 a站還有小學生拿本問題來瞎噴等有空了來打臉量化到位了都是數字信號至於你不想用現有科學理解請邁步偽科學和非科學