主题：【原创】教育探索（五）—从电脑认识大脑（1） -- 夕曦

电脑的电子网络是由许多不同类型的电子元件组成的，而组成大脑神经网络的基本元件只有一种，叫做神经元（neuron）。它既是连接导线又是开关，象Lego玩具积木那样拼接在一起，构建成巨大复杂的信息处理网络。

神经元是一种特殊分化的细胞，专门用于传递信号的，具有独特的形态结构。

（图片来源：外链出处）

从上图能够看到：神经元不像其它类型的细胞，形态很不规则，从细胞体（cell body）向外伸出很多突起，就是通常说的神经了纤维。其中总有一条最长的突起，叫轴突（axon）。轴突两端一般都有象树枝样分叉的结构，靠近细胞体一端的结构有个比较形象的名字，叫做树突（dendrite），另一端叫轴突末梢（axon terminal）或神经末梢。轴突是神经元信号传导的主干，一般是单向传导，信号从树突端接受（输入端），经过轴突传导，从轴突末梢端传出（输出端）。有些神经元的轴突可以被其它特殊的细胞包裹，形成一节一节的绝缘保护层，叫做髓鞘（myelin sheath）。髓鞘既可以降低信号干扰，又加快了神经元信号传递的速度。

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电脑的电子网络中信号的传导是以电流在导线中流动实现的，而大脑的信号传导不是在神经纤维内进行的，而是在神经纤维的细胞膜上进行的，是个电化学相互转化的过程。静息时神经纤维细胞膜的内外由阳离子的浓度不同维持一个外正内负的电位差，膜的外表面为正，里面为负。神经纤维受到刺激时，接受刺激点细胞膜上的离子通道（一种镶嵌在细胞膜上的蛋白装置）快速动作，引起阳离子发生跨膜流动，电位差的极性发生短暂改变，变成外负内正，随后又回复正常的外正内负单位差。这种细胞膜电位差的快速反向变化叫做动作电位（action potential）。受刺激点发生动作电位，会引起左右相邻细胞膜上的离子通道发生相应的通透性改变，随后也产生动作电位。这样动作电位就从产生点沿神经纤维的连锁、顺序发生，形成动作电位的顺序传播，这就是神经信号的传导。

（图片来源：外链出处）

对于一个神经元来说，其表面的细胞膜是完整连续的，动作电位可以在上面没有间断地传导。神经元是构成神经网络的基本元件，相互之间必然有某种连接以接续信息传导。不同神经元的细胞膜不是连续、不间断地融合在一起的，所以动作电位不能直接在神经元之间连续传递。为保证信号的传递，神经元形成了特殊结构的连接装置。这些连接装置多处于神经元细胞的不规则突起上，在树枝末梢呈球状或环状膨大附在另一个神经元的胞体或树突表面。根据这一独特的形态，连接装置被形象地叫做突触（synapse）。

（图片来源：外链出处）

现在已知有两种类型的突触，一类是电突触，一类是化学突触。

电突触中两个神经元的细胞膜靠的非常近，突触间隙很小，一些离子通道直接越两个神经元的细胞膜，两个神经元上的离子通道一对一地匹配形成一个通道。这种结构相当于细胞膜的直接融合，从一个神经元直接延伸到另一个神经元。一般认为电突触仅仅起连接作用，信号在神经元之间的传递不发生改变，传导速度快、没有延迟，而且传导方向是双向的，从哪一边都可以。

（电突触的结构，桔黄色的六花瓣样的结构是离子通道。图片来源：外链出处）

化学突触是人大脑中最常见的神经元连接，将动作电位信号通过化学信号在神经元之间传导。代表化学信号的物质统称为神经递质，贮存于前一个神经元（突触前神经元）末端膨大部分的囊泡内。突触前神经元动作电位传导到突触时，神经递质被释放到突触间隙，经扩散方式到达突触后膜（突触后神经元），与细胞膜上的神经递质受体结合，引起与受体相联的离子通道开放，使相应的离子经通道进入突触后部，产生突触后神经元局部电位的变化。

（化学突触的结构。图片来源：外链出处）

如果神经递质作用的结果导致后一个神经元产生动作电位，则接续了信号传导，相当于开通了信号通路，是兴奋性突触，如以下动画。

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另一类化学突触神经递质作用的结果可抑制突触后神经元上正在传导的动作电位，相当于关闭了信号通路，是抑制性突触，如以下动画。

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化学突触的信号传导是单向的，从前一个神经元的输出端通过化学突触的神经递质，传给下一个神经元的输入端。一个神经元既可与通过突触连接到其它许多神经元上，或输出装置的细胞上如肌肉、分泌腺体等；亦可通过突触接受来自其它神经元或输入装置细胞（如视、听、嗅、味等感应细胞）的许多突触信息。对于大脑内的大多数神经元来说，突触是信号的唯一输入渠道。与某一神经元相连的所有前一级细胞都通过突触向细胞传递关于自身的信息。

突触在神经元上分布的密度大致相同，神经元细胞的不规则突起可极大地增加突触连接的数目。每个神经元上突触数目平均约为1万个左右。在一个神经元上接受的众多突触中，有些是兴奋性的，有些则是抑制性的。如果所有兴奋性突触活动的总和超过抑制性突触活动的总和，并足以刺激该神经元的轴突起始段产生动作电位时，则该神经元发生兴奋；反之，则表现为抑制。

所以，在由神经元连接构成的网络中，化学突触是信息处理网络的开关，是人脑中二进制系统的基础。处于不同开关状态的化学突触组合，构成了信息存贮（记忆）的基本模式。神经元以化学突触为开关形成的逻辑回路，是大脑进行数学和逻辑运算的基础。类似于电脑电子网络，大脑的所有信息处理功能，包括信念、记忆、思考、计划、学习、训练、尝试等，都是在神经网络中完成的。

大脑神经网络及其复杂，一般先由功能相近的神经元在大脑的特定区域相互连接，构成信息处理的基本功能区，即局域网络；基本功能区之间再通过高速的神经通路连接、整合、协调，形成更高一级的功能域，具有更强大的信息处理功能，并能够同时处理多项任务。使用最新的医学影像学技术，并经过电脑的处理、分析，人们正在逐步发现、认识这些功能区域。

可以想象，大脑中还可以有更高层次的区域整合，最终能够支持人类大脑的最高级活动，如思维，想象等。站到更高的社会角度来想象，以每个个人大脑为单位，当做接受或拒绝信息的开关，以各种沟通渠道作为连接大脑的导线，就是一个社会网络。在社会网络层次上处理的信息，就是人类社会的文化，或文明。只不过社会网络中信息传播速度远远低于大脑和电脑网络的信息传播速度，所以只能在很长的时间范围内（历史）进行观测。