神經元的發(fā)放閾值及能量效率研究.pdf

1、神經元是神經系統(tǒng)實現(xiàn)其功能的基本單元。理解神經元的功能是理解大腦智能來源的基礎。神經元的功能簡單來說就是整合接收到的大量信息，然后決定是否產生輸出信號。神經元的輸出信號稱為動作電位，又稱發(fā)放。一般認為，神經元細胞膜兩側電勢差超過一個閾值就會產生動作電位。所以神經元發(fā)放的閾值在神經元的信息整合中起著關鍵作用。實驗廣泛發(fā)現(xiàn)，動作電位的閾值是可變的，而且這種可變性對神經元處理信息有重要影響。目前，關于可變閾值的來源并沒有統(tǒng)一的意見，甚至引起不

2、小的爭議。
　　神經元的發(fā)放要消耗大量的能量。發(fā)放耗能在神經系統(tǒng)的總耗能中占據了很大的比例。神經系統(tǒng)處理信息是極其耗能的過程，然而對于動物的生存至關重要，所以其發(fā)放的能量效率可能在漫長的進化過程中已經得到了優(yōu)化。神經元發(fā)放的閾值決定著神經元如何編碼信息，而發(fā)放的能量效率則關系著編碼信息的效率。
　　本文第一章介紹本文課題的研究背景；第二章中總結闡述神經元及動作電位的生物學基礎知識；第三章給出常見的神經元模型及后面分析中需要用

3、到的動力學基礎知識。
　　第四章詳細討論神經元發(fā)放的閾值問題。我們提出閾值現(xiàn)象可以按機制不同分為“參數(shù)閾值”和“狀態(tài)閾值”，通常所說的閾值是一種狀態(tài)閾值，是由狀態(tài)空間中的“廣義分界線”（簡稱分界線）決定的。我們認為分界線普遍地存在于神經元模型的狀態(tài)空間中，通過構建一個一般性的可激神經元模型，我們得到了普適的分界線表達式，進而得到普遍的閾值隨時間演化的方程。閾值演化方程在相應條件下可以很自然地約化得出與前人的工作一致的結果，而在前人

4、工作中一般是直接假設或者做了一些不太自然的簡化才能得到。在此基礎上，我們的神經元動力學研究還揭示，閾值電壓在不同刺激下的變化是由于系統(tǒng)在狀態(tài)空間中跨越分界線上的不同點造成的，神經元的分界線和刺激條件決定了閾值電壓變化的范圍。狀態(tài)空間中的分界線跨越機制是電壓閾值和刺激后的參數(shù)閾值的普遍的內在動力學機制。我們還系統(tǒng)地在從一維到四維的多個模型中檢驗了我們的結果，其中二維和三維的模型中解析的分界線，將對以后的閾值研究有重要意義，而對有著現(xiàn)實對應

5、的四維的經典Hodgkin-Huxley模型的研究也發(fā)現(xiàn)了一些有意思的新現(xiàn)象。分界線跨越理論為閾值可變性提供了一個普適的機制，是閾值可變性的一個重要來源。
　　在第五章中，我們研究神經元發(fā)放的能量效率，也就是一個神經元在處理信息時消耗單位能量能夠傳遞的信息量。我們計算了 Hodgkin-Huxley神經元在有噪聲的環(huán)境中不同溫度不同刺激強度下的信息率和能量效率。我們發(fā)現(xiàn)在特定的溫度下，信息率或能量效率最大。盡管信息率和能量效率不能