神經元模型在腦科學中的發展現狀研究

付燕 王國威

摘 要：基于神經元模型及其構建的神經網絡的發展，總結神經元模型及其網絡在腦科學中研究的發展歷程，并對其重要意義進行概述和展望，分析國內腦科學研究機構的分布情況，以期對腦科學基礎研究的初學者有一定幫助。結論表明，腦科學研究致力于闡明神經信號處理機制、腦結構及其功能的發育和可塑性。地區經濟發展情況與當地的腦科學研究機構的建設情況有直接關系。

關鍵詞：神經元;神經網絡;腦科學;神經科學;腦疾病

一、引言

人腦中包含近1000億個神經元和神經膠質細胞，這些神經細胞組合在一起構建成完整的人腦結構，具有特別復雜的生理結構，他們的主要功能是負責神經信息的收集、整合、處理和傳遞。對于同一大腦區域的每個神經元而言，他們不僅具有相對獨立的電生理活動，而且還能相互作用，實現共同的生理功能，從而確保人腦的功能的完整性。

大腦的奧秘啟發了許多研究人員，數以萬計的研究人員癡迷于探索神經電活動的工作機制。20世紀80年代左右，人們開發了各種人工神經元和神經網絡模型，以模擬生物神經元和神經系統的不同電活動，如 Hodgkin-Huxley（HH）模型、FitzHugh-Nagumo（FHN）、Morris-Lacar（ML）模型、HR模型、Chay模型、Hopfield神經網絡（HNN）、細胞神經網絡（CNN）等等。關于神經元模型中的神經電活動，包括周期脈沖、周期爆發和模式轉換等都得到大量的研究。時至今日，大腦仍然是人類認知的“黑洞”?？茖W界也將腦科學稱為“人類科學最后的前沿”，因此腦科學是當今世界科學研究的前沿領域。

二、模型研究

在此之前，有很多研究機構開始研究腦科學，主要研究方向包含3類。第一類是研究神經活動基本過程，包含神經信號轉導和突觸傳遞、感覺信息處理及其機制、神經系統功能發育、再生和可塑性等問題;第二類研究腦的高級功能，包括學習和記憶的細胞和分子機制、睡眠覺醒調節和呼吸睡眠疾病的分子和中樞機制、腦復雜認知活動的功能成像研究;第三類研究神經系統重要疾病機制與防治，包括急性神經損傷和神經退行性疾病的機制及防治研究、癲癇等腦疾病的發生機制及防治研究、特殊感覺障礙的功能重建、針刺治療的神經生物學基礎等。

研究這些問題的出發點是1952年由Hodgkin和Huxley提出的HH神經元模型。該神經元模型是基于單神經元電生理的實驗提出來的，它描述真實神經元的尖峰行為和不應期，并作為基于離子通道非線性電導的尖峰神經元的范例。

1962年，FitzHugh等引入從四維HH模型中簡化出來的二維FHN模型來描述神經元的興奮性和峰值放電。1981年，Morris和Lecar提出簡化的HH模型，稱為ML模型。該模型是一種生物神經元模型，用于再現巨大藤壺纖維中與鈣離子和鉀離子電導相關的各種振蕩行為。1984年，Hindmarsh和Rose提出HR模型，該模型不僅可以有效地促進計算，而且可以產生真實生物神經元表現出的大部分放電行為，比如靜息態，尖峰放電和簇放電。HR模型包含一類2維模型和一類3維模型。1985年，為了重現β細胞的放電行為，Chay開發一個三維神經元模型，可以模擬爆炸和混沌放電。1984年，Hopfield提出一種理想的神經網絡，即Hopfield神經網絡。由于其較強的非線性和靈活的代數表達式，HNN特別適合于模擬大腦中的各種復雜的動力學行為，特別是混沌行為。1988年，Chua和Yang提出一個基于蜂胞自動機和Hopfield神經網絡的蜂窩神經網絡。

一直以來，大量的科研人員致力于探索一個更加接近真實神經元的數學模型，并為此付出不懈的努力。多個神經元模型的問世，也意味著關于人腦功能與神經元模型的探索將一如既往地繼續下去。

三、討論與分析

神經系統由大量的神經元組成，而一個神經元是一個神經元系統的結構和功能的基本單元。電生理實驗表明，神經元是高度復雜的非線性動態系統，在不同離子濃度下表現出豐富的放電模式。神經元的復雜放電是由神經元細胞膜內外的離子電流相互作用產生的。

在此基礎上，國內多家機構對腦科學研究產生濃厚的興趣。腦與認知科學國家重點實驗室2005年經科技部批準建設，2007年通過驗收并正式開放運行。2011年11月18日，美國國際數據集團與北京師范大學簽署捐建協議，成立北京師范大學IDG/麥戈文腦科學研究院。2013年11月24日，清華大學-IDG/麥戈文腦科學研究院揭牌典禮在清華大學鄭裕彤醫學樓腦科學研究院舉行。2014年11月16日，中國科學院深圳先進技術研究院與麻省理工學院麥戈文腦科學研究所合作共建的腦認知科學和腦疾病研究所正式揭牌。2018年5月14日，上海腦科學與類腦研究中心揭牌儀式在張江實驗室舉行。2018年10月26日，教育部同時下發6個文件，決定對6所頂尖名校的6個不同前沿科學中心進行立項，其中包括浙江大學腦與腦機融合前沿科學中心。2018年9月14日，浙江大學發布實施《腦科學與人工智能會聚研究計劃》。

在眾多腦科學研究機構中，全國先有神經科學研究機構數量為65個。其中，華東地區的神經科學研究機構數量明顯多于其他地區，共計有25個。華南地區13個，華北地區12個。西南地區有7個，東北和西北各有3個。華中地區數量最少，只有2個。而在華東地區，江浙滬三地的神經科學研究機構的數量就達到17個，比西南、東北、西北和華中地區數量的總數還要多。由此可見，經濟發展程度與科學研究之間也存在一定關聯，經濟越發達的地區，對腦科學研究投入也就越多，其科研機構數量也越多。

四、結論與總結

對神經元模型的基本發展歷程進行回顧，總結現階段國內腦科學研究機構的分布情況，分析現階段腦科學研究的主流方向。研究發現國內腦科學研究結構的設置情況與當地的經濟發展具有深度的聯系，上海市作為經濟、科研和教育中心，擁有10所腦科學研究機構，而作為科研和教育重地的華中地區湖北省只有1個腦科學研究機構。研究腦科學將進一步增加人類對自身的認識，并逐漸提高神經網絡科學對科技應用的支持。

參考文獻：

[1]劉燕. 攻堅腦疾病? 引領中國神經科學走在前沿[N]. 健康報，2021-09-08（008）.

[2]潘鋒，張浩臣.腦科學是人類認識世界認識自我的最終挑戰——訪中國科學院院士、美國科學院外籍院士蒲慕明教授[J].中國醫藥導報，2021，18（25）：1-3.

[3]侯安山，駱玫.方興未艾的腦科學[J].知識就是力量，2021（08）：4-7.