淺析將現(xiàn)代物理學中的理論和方法應用于神經(jīng)科學

　　關鍵詞：生命科學;物理;問題

　　神經(jīng)系統(tǒng)是結構和功能極其復雜的生命信息處理系統(tǒng)。對神經(jīng)系統(tǒng)的深人研究，將為最終解決意識與思維之謎，開辟前進的道路。但是神經(jīng)科學的發(fā)展，一刻也離不開現(xiàn)代物理學的理論與方法的先導和支持。從生物物理學的角度出發(fā)，著重介紹生物神經(jīng)網(wǎng)絡的構成與運行特征，并進一步探討將現(xiàn)代物理學中的某些理論和方法，應用于神經(jīng)科學研究的可能性。

　　關扭詞生物神經(jīng)網(wǎng)絡，神經(jīng)信息雙重編碼，高維信息編碼空間，分形與分維，正電子斷層圖在自然科學的研究領域中有四大疑難問題，亦可稱之為四大謎，即:(l)物質結構之謎;(2)宇宙起源之謎;(3)生命過程之謎;(4)思維本質之謎。

　　物質結構和宇宙起源問題屬于物理科學的研究范疇，而生命過程與思維本質的研究則屬于生命科學的范疇。20世紀是物理科學取得輝煌成就的世紀。在微觀和宇宙觀方面，人們對物質結構和宇宙起源的認識，比起上一世紀，已取得飛躍的進展�？茖W家預言，21世紀將是生命科學的世紀。不同領域的科學家將共同努力，為解決生命過程之謎和思維本質之謎開展協(xié)作研究。

　　從歷史上看，生命科學的發(fā)展一直依賴于物理科學的進步�，F(xiàn)代物理學中的新概念、新理論和新方法對生命科學的研究，對揭示生命復雜過程的機制，起著關鍵性的先導和啟示作用。1933年著名的量子論奠基人波爾田在他的講演《光與生命》中即提出用量子力學的方法研究生命科學的觀點。另一位量子力學創(chuàng)建人薛定愕圖在他的著名論述《生命是什么》一書中，即明確提出生命依賴于負姥的觀點，并預言，生命的信息即存儲于非周期性的晶體之中。正是由于波爾和薛定愕等理論物理學家的倡導，一批優(yōu)秀的物理學家轉人生命科學研究的領域中來，導至DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)。1954年著名的理論物理學家，大爆炸理論的創(chuàng)始人伽莫夫以其天才的預見，提出核昔酸三聯(lián)密碼的理論[31。遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)使生物學家掌握住理解生命活動規(guī)律的鑰匙，為分子生物學的發(fā)展，奠定了堅實的基礎。

　　至于闡明意識與思維活動的奧秘，問題顯然是更加困難得多了。這是因為大腦是結構和機能極其復雜的非線性系統(tǒng)，它不單是認識的主體，而且也成為認識的客體。因此單純依靠用生物學的觀測與實驗方法，是很難理解整個大腦神經(jīng)網(wǎng)絡的工作原理和活動規(guī)律的，這就必須借助于現(xiàn)代物理學的新概念、新理論和新方法，建立研究腦工作原理的新的理論體系和新方法，才能解決生物神經(jīng)網(wǎng)絡所遇到的復雜性難題。

　　80年代初期，H叩field[4J根據(jù)物理學中的“自旋玻璃”(spinglass)的相互作用理論，建立了具有廣泛回路的人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論。他還首次引人計算能量函數(shù)的概念。Hopfield應用Issing的自旋玻璃系統(tǒng)理論證明，計算能量是有界函數(shù)，而且在狀態(tài)空間中有局域極小值，這是聯(lián)想記憶的基礎。

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論和研究方法的出現(xiàn)，給生物神經(jīng)網(wǎng)絡的研究帶來了新的沖擊和希望。人工神經(jīng)網(wǎng)絡中的突觸連結強度的動態(tài)調整，并行處理的計算原則，信息的分布式存儲和按內容尋址，網(wǎng)絡能量函數(shù)局域極小值的形成和演化，神經(jīng)網(wǎng)絡的穩(wěn)健性(robuso與高度容錯性，非線性連結的高階神經(jīng)網(wǎng)絡特性，突觸和突觸之間的相互作用，自學習、自組織和自適應以及具有聯(lián)想記憶的功能等，都和腦的工作原理十分相似。因此，認真結合生物神經(jīng)網(wǎng)絡的特點，充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡研究中的新成就以應用于生物神經(jīng)網(wǎng)絡活動規(guī)律的研究中來，成為當前神經(jīng)科學的前沿領域。

　　一、生物神經(jīng)網(wǎng)絡的特點及其與人工神經(jīng)網(wǎng)絡的比較

　　大腦的結構和功能雖然十分復雜，但卻是由一種主要的元件組成。組成大腦的基本單元稱為神經(jīng)元。100年前，著名的西班牙神經(jīng)學家卡哈爾(Caial)首創(chuàng)神經(jīng)元學說(neuronedoctrine)，他認為神經(jīng)系統(tǒng)是由神經(jīng)元組成，神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的結構單元和功能單元。神經(jīng)元之間以突觸相互連結，組成復雜的生物神經(jīng)網(wǎng)絡。神經(jīng)元學說奠定了大腦結構的物質基礎，是神經(jīng)科學發(fā)展的重要里程碑，卡哈爾亦因此而榮獲諾貝爾獎。人腦約有10”一1011個神經(jīng)元。神經(jīng)元的大小和形狀差異很大，但其主要結構都是由三部分組成，即胞體、樹突和軸突。樹突比較粗短而且反復分支。在功能上樹突和胞體是神經(jīng)元的感受和整合(integration)部位。樹突和胞體接受外界或來自其他神經(jīng)元的傳人信息并加以整合，再傳導至軸突。軸突的長短不等，有的神經(jīng)元軸突很短，只有幾微米;有的很長，超過一米以上。軸突發(fā)出多個側支，最后反復分支形成復雜的神經(jīng)末梢。其終末部分膨大，與其他神經(jīng)元建立突觸聯(lián)系。突觸的數(shù)目很多，據(jù)估計人類大腦皮質的一個神經(jīng)元可有多達103一10‘個突觸。突觸是兩個神經(jīng)元之間的功能性接觸部位，由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜三部分組成。突觸后膜上有許多神經(jīng)離子通道。離子通道是生物的納米級微電子器件，是由蛋白質大分子組成的特殊單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)微電路。Hodgkin和Huxley提出的離子通道理論，是神經(jīng)科學發(fā)展的又一重要里程碑，它使神經(jīng)科學的研究，扎實地建立在神經(jīng)分子生物學的基礎之上，并因此而被授與諾貝爾獎金。離子通道分子的直徑一般為10nm左右，可分為受體和孔道兩部分。受體是和某些特殊的神經(jīng)活性物質結合的部位�？椎赖闹睆郊s為1一Znm，平時處于關閉狀態(tài)。當神經(jīng)遞質和受體的位點結合之后，通道即呈短暫的開放，讓離子通過，但開放時間一般只有數(shù)毫秒隨后又重新關上。離子通道開放時，通過的電流很小，只有10一uA數(shù)量級。物理學家Neher和Sakmann創(chuàng)建了測量單個離子通道電流白刨漠片低位(Patchdamp)方法，并因此而獲1991年諾貝爾獎。離子通道與神經(jīng)遞質的結合有高度特異性;另外，通道對離子的通過亦有選擇性，可分為鈉通道，鉀通道，鈣離子通道，氯離子通道等。離子通道的觸發(fā)輸人可以是化學控制，亦可以是電壓控制。大量的各種不同的離子通道分布于占神經(jīng)元總面積90并的樹突復雜分支的表面，既有空間分布的排列復雜性，又有多種化學信息編碼的復雜性。所以，一個神經(jīng)元實際上是包括107個微觸發(fā)器(離子通道)組成的集成生物電路元件，其復雜性可想而知。

　　根據(jù)以上所述，生物神經(jīng)網(wǎng)絡是以水為基質，并以鑲依在雙層脂膜表面的離子通道蛋白分子、離子泵、神經(jīng)遞質(neurotransmitter:)。神經(jīng)調質(neur二odulators)以及基因信息系統(tǒng)等有序的信息大分子組成的液態(tài)分子信息器件。它和以硅為基底，由有序的PN結，電阻和電容等元件組成的固態(tài)微電子集成電路的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡有很大的不同。特別是生物神經(jīng)元內部的生物信息大分子，經(jīng)常處于合成和分解的動態(tài)過程之中。一般的蛋白質分子的半壽期不過數(shù)分鐘到十多分鐘。所以形象一點來說，生物神經(jīng)網(wǎng)絡的元件是邊生產(chǎn)，邊組裝，邊拆卸。這種邊建邊拆的過程一旦停止，生物神經(jīng)網(wǎng)絡即隨之解體，不復存在。指揮這一生產(chǎn)流水作業(yè)線的機構是神經(jīng)元內部的基因調控系統(tǒng)。一般認為，人類的結構基因共有10萬種，大多數(shù)的細胞在正常功能狀態(tài)下只有少數(shù)(幾種至幾百種)基因處于活動狀態(tài)。唯獨神經(jīng)元

　　約有三萬種基因經(jīng)常處于積極的功能活動狀態(tài)。由此可見，神經(jīng)元絕非簡單的開關元件，而是具有豐富的內源信息和進行復雜信息存儲與胭工的元件，這正是生物神經(jīng)網(wǎng)絡不同于人工

　　神經(jīng)網(wǎng)絡的主要特征。

　　二、生物神經(jīng)網(wǎng)絡是信息增殖系統(tǒng)

　　物理系統(tǒng)一般可分為三類，即孤立系，封閉系和開放系。與外界環(huán)境既無物質交換亦無能量交換的系統(tǒng)稱為孤立系。只有能量交換而無物質交換的稱為封閉系。同時與環(huán)境有物質交換和能量交換的系統(tǒng)稱為開放系。生物系統(tǒng)顯然屬于開放系統(tǒng)，它與環(huán)境既有物質交換、能量交換而且還有信息交換。生物系統(tǒng)遵守質量守恒和能量守恒法則。如果系統(tǒng)的物質輸人流大于其輸出流，則一部分物質將逐漸在系統(tǒng)內部積存，這樣的系統(tǒng)屬于增殖系統(tǒng);如果輸出流大于輸人流，則系統(tǒng)將逐漸衰減。在一般情況下，生物系統(tǒng)的總質量，大致是圍繞穩(wěn)態(tài)平均值作節(jié)律性波動。但在生物系統(tǒng)的物質輸人流中，相當大的一部分是結構比較復雜的蛋白質(氨基酸)、碳水化合物(單糖)、脂肪和其他營養(yǎng)素，而輸出的只是經(jīng)過代謝以后產(chǎn)生的簡單物質，如水、二氧化碳及含氮的廢物(尿素、尿酸等)等。所以，人體的物質輸入流并不單純在于補充物質的損耗，而且也附帶輸人可供利用的化學自由能和復雜結構的信息流。綠色植物則是另一種情況，它是利用環(huán)境輸人的能量流(光子流)經(jīng)過光合作用將簡繭的物質轉變成結構復雜的物質。生物系統(tǒng)利用環(huán)境輸人的物質流和能量流，依賴其內部的自增殖、自復制的代謝機理，使系統(tǒng)的結構復雜性和機能的復雜性不斷增加，這就是信息的增殖系統(tǒng)。看來，信息的量并不存在守恒法則。我們認為，質量是物質存在數(shù)量的量度，能量是物質各種形式運動數(shù)量的量度，而信息則是物質存在形式的復雜性和運動復雜性的量度。結構愈復雜，運動過程的形式愈復雜，則系統(tǒng)的信息量也愈大，按照薛定愕的說法就是負嫡增加。大腦是結構和機能極其復雜的生命信息處理系統(tǒng)。外界的信息流，可以通過兩種方式輸人神經(jīng)系統(tǒng):一是通過物質流輸人的結構信息，二是通過能量流(例如光波和聲波)作用于感受器的輸人信息。生物神經(jīng)網(wǎng)絡的內源信息也有兩種方式:一是結構復雜性的信息，包括神經(jīng)網(wǎng)絡的構成和聯(lián)結的信息。另一種是生物神經(jīng)網(wǎng)絡通過學習，自外界獲取各種信息，同時也可通過思維產(chǎn)生新的信息。這些信息可以進一步記憶而存儲，也有相當一部分因千擾與遺忘而逐漸消失。所以，生物神經(jīng)網(wǎng)絡是能產(chǎn)生新的信息的生物信息增殖系統(tǒng)。我們預期，物理學中的非平衡態(tài)熱力學、耗散結構理論、非線性復雜系統(tǒng)理論等，將在研究生命信息系統(tǒng)方面發(fā)揮巨大的推動作用。

　　三、生物神經(jīng)網(wǎng)絡信息的載體與編碼

　　當前生命科學的發(fā)展趨勢是朝著最基本的分子生物學和最復雜的神經(jīng)生物學的兩極發(fā)展。正如核昔酸三聯(lián)密碼的發(fā)現(xiàn)，奠定了分子生物學的基礎那樣，我們認為，攻克大腦“思維之謎”的關鍵是弄清大腦信息的存儲載體和大腦信息編碼方式這兩個最基本的問題，使腦信息加工機理的研究建立在客觀與定量的基礎之上。但有關這方面的問題，我們仍是一無所知。

　　學習和記憶是人類大腦的重要功能。記憶是將學習取得的信息加以存儲，并能根據(jù)需要將記憶的內容加以回憶和重現(xiàn)。目前普遍認為，海馬是學習和記憶的關鍵部位。海馬是大腦深部的一個特殊結構，形狀和中藥的海馬的形狀十分相似，故名。PhelPs閉應用正電子斷層圖(positronemissiontomography，PET)的觀察證明，正常人在積極進行記憶活動作業(yè)時，海馬的葡萄糖代謝率明顯增高，直接證實了海馬的記憶功能。我們的研究表明國，海馬的神經(jīng)元呈規(guī)則的六角形點陣(hexagonalarrays)排列，且具有很豐富的返回側支，形成復雜的神經(jīng)回路網(wǎng)絡，其結構和H叩field的人工神經(jīng)網(wǎng)絡十分相似。海馬還有特殊的苔狀纖維突觸集群，這是大腦其他部位所沒有的特殊的突觸結構。一個突觸集群最多可包含十多個突觸，這些突觸相互聯(lián)系，相互作用，組成高階的神經(jīng)網(wǎng)絡。高階神經(jīng)網(wǎng)絡不僅功能更加復雜，而且還可大大增加信息的存儲容量。因此我們認為，海馬的苔狀纖維突觸集群，很可能是生物神經(jīng)信息的主要載體，是記憶的物質基礎。

　　綜合目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡和生物神經(jīng)網(wǎng)絡研究的進展，我們對大腦信息的存儲機理，提出以下生物神經(jīng)信息的雙重編碼理論(thedualeodingtheoryofthebiologiealneuralinformation)。神經(jīng)信息編碼至少可分為兩個層次，即神經(jīng)元狀態(tài)編碼(neuronicstatecode)和突觸位勢編碼(synaptiepotentialcode)。N個神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡，組成N維的信息編碼空間。

　　神經(jīng)元的狀態(tài)可有興奮與靜止兩種方式，可用1和O二進制碼表示。神經(jīng)元不同狀態(tài)的組合，對應于N維空間超立方體(Hypereube)的2N個頂點。外部世界的輸人信息，進人神經(jīng)網(wǎng)絡的內部，神經(jīng)元網(wǎng)絡的狀態(tài)即發(fā)生變化，通過神經(jīng)信息分子的生物物理和生物化學過程，促使突觸的聯(lián)系強度進行調整，形成新的突觸連系格局，從而組成慢變的突觸記憶編碼。根據(jù)HoPfield的理論，神經(jīng)網(wǎng)絡的計算能量函數(shù)，是和神經(jīng)元狀態(tài)的編碼，r，和勾，以及神經(jīng)元之間的突觸連系強度編碼Ti，二者有密切關系的綜合函數(shù)，可以計算出不同狀態(tài)的計算能量。在神經(jīng)網(wǎng)絡中具有十分復雜的能量分布形式，并在高維空間中形成多個的能量極小值，稱為局域極小值。不同的事件信息即存儲于局域的能量極小值之中，稱為記憶單元(engram:)。但如何顯示高維空間的能量分布格局以及追蹤趨向極小值的動態(tài)徑跡，是一個十分困難的問題，目前尚無報道。我們知道，現(xiàn)實的時空四維空間是由三維的幾何空間再加上一維的時間所構成。更高維的空間即屬于參數(shù)空間，例如壓力，溫度，化學組分或是光的強度與光的波長變化在現(xiàn)實四維時空的動態(tài)分布等。為了顯示高維空間的拓樸圖象，我們根據(jù)各頂點與原點的漢明距離，作出N維空間的標準側視圖。我們以10維的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡，對四種不同類型的心律不齊的心電圖進行鑒別診斷。我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過學習以后，對應于四個標準診斷樣本的編碼頂點，確為局域能量的極小點，其能量值分別為一82，一70，一70，一70。圍繞局域能量極小值的周圍，其能量的高低起伏格局各不相同。我們發(fā)現(xiàn)，在1024個頂點中約有2/3的頂點，能自動收斂進人鄰近的局域能量極小點，但還有1/3的頂點不能收斂到相應的極小值點，而是在等能量值的兩點之間來回振蕩。為了突出顯示每一個極小值點附近吸引區(qū)的能量分布拓樸結構，我們應用按位加法進行變換，將相應的極小值點與原點交換，移至左側端的頂點，組成以極小值點為中心的10維側錐體。以一82極小值點為例，其漢明距離為1的頂點均可一步到位，收斂到極小值點，但其能量值各不相同，其中有兩點的能量值為一62者，是進人一82點的門戶，一些漢明距離較遠的頂點，大都經(jīng)過這兩點進人極小值點。漢明距離為2的各頂點，亦全部能收斂到極小值點，其中能量較高的點，卻是一步跳人極小值點，稱為對角躍遷(diagonaltransction)，而能量較低的點則是分別通過那兩個一62的點分兩步進人極小值點，而且這些點在空間中的排列都比較規(guī)則。漢明距離為3的各個頂點，有的是一步直接進人極小值點，呈三維對角躍遷，這些點的能量都較高。

　　有些點是通過漢明距離為2的對角躍遷的頂點分兩步進人。有些漢明距離為3的頂點，則收斂到附近別的極小值點;而能量較低的都是經(jīng)過“能量溝”(energygroove)，即通過一62能量點分三步到達極小值點。有趣的是，一些能量為一14的頂點，并不收斂到這四個極小值點之一，而是與另一個漢明距離為6，能量為一14的另一點產(chǎn)生來回振蕩。即成為偽吸引子。我們認為，應用高維信息編碼空間的能量分布圖像，可以觀測在學習過程中由于突觸連結的強度變化引起的能量分布的改變以及局域吸引子的形成過程，這對研究學習、思維與記憶的機制有重要意義。

　　四、神經(jīng)元的形態(tài)與分維

　　所有的神經(jīng)元都是由最初呈圓球形的神經(jīng)母細胞逐級分支所形成。但由于其生長參數(shù)不同，因而形成形態(tài)各異的不同類型的神經(jīng)元。神經(jīng)元的生長參數(shù)包括生長錐的生長速度，出現(xiàn)分支的時間間隔，分支與主干的夾角，各級分支的徑向增粗的速率等。目前，對神經(jīng)元的形態(tài)發(fā)生過程與調控機制尚一無所知。預計在神經(jīng)元的基因組中有形態(tài)生長基因，保存有不同階段的生長參數(shù)的信息，從而對神經(jīng)元的生長與分化進行調控。應用非線性物理學中的分形與分維的理論，對神經(jīng)元的形態(tài)及其形成過程的研究，對研究生物神經(jīng)網(wǎng)絡的形成與功能聯(lián)系過程，有重要意義。

　　五、PET技術與腦功能研究

　　正電子斷層圖(PET)是核物理學在腦科學研究中作出的重大貢獻。PET是將帶有能夠發(fā)射正電子核素標記的生物活性物質，注人人體內，再應用示蹤動力學模型，研究這些物質的動態(tài)分布過程，從而顯示腦的代謝和機能代謝的圖像t6]。例如，在光刺激下，正常人的視覺皮質的葡萄糖代謝率明顯升高;如果觀察一幅色彩鮮艷的風景圖畫，則其代謝率增大更加明顯而且向視覺皮質周圍的聯(lián)合區(qū)擴展。在聽覺刺激下，主要是雙側顆葉的聽覺皮質代謝率增高，而且還觀察到，在語言刺激時，善用右手的人其左側聽覺皮質的代謝率增強比較明顯，而在欣賞音樂時，則以右側聽覺皮質增強明顯。證實了左側大腦半球以語言功能為主，右側大腦半球以音像功能為主的推斷。但當音樂家在聽音樂時，其雙側的聽覺皮質代謝率均明顯增高，這表明音樂家已將音樂和語言加以結合和理解了。老年性癡呆患者其腦血流量和氧代謝率和同年齡的正常老年人相比，都下降了40多，葡萄糖代謝率下降了25多，以額葉皮質最明顯，從而證實額葉在人的智能活動中起關鍵性作用。正電子斷層圖是目前唯一的能夠在無損傷的情況下，直接觀測正常人腦的功能活動的裝置，比腦電圖和腦磁圖的空間分辨率高，定位準確，而且有明確的機能意義。它在研究感覺、認知，語言、學習、記憶、思維、推理等方面將起重要作用。

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