3、神经编码：变异性与信息传递

神经编码：变异性与信息传递

一、早期奠基者与信息理论基础

在神经科学领域，关于神经元变异性的研究有着悠久的历史。有三位先驱为我们理解这一主题奠定了基础。

香农的信息理论

克劳德·香农（Claude Shannon）是一位贝尔实验室的电气工程师。1948年，他发表了关于通信数学理论的专著。其目标是理解在有噪声的通信信道中能够传输多少信息。他采用二进制系统（仅使用数字1和0）来衡量信息，将其称为二进制数字，后来简称为“比特”（bits）。这一工作不仅对通信理论产生了深远影响，还波及计算机科学和神经科学等众多领域。

冯·诺伊曼的问题

冯·诺伊曼（von Neumann）在1956年提出了一个相关问题：如何用不可靠的组件构建可靠的机器。当时人们已经注意到，在看似恒定的条件下对神经细胞活动进行长时间研究，或者反复施加恒定刺激时，神经细胞的活动可能具有很大的变异性。

神经元信息传输的初步计算

基于香农的思想，一些研究认为，在短时间内动作电位的有无可分别视为1或0，即1比特信息。如果神经元的不应期约为1毫秒，那么单个神经元每秒可传输约1000比特信息。考虑到人类神经系统中约有(10^{12})个神经元，理论上神经系统每秒可能传输(10^{15})比特信息。

米勒的发现

然而，乔治·米勒（George Miller）在1956年发表了题为“神奇的数字七，正负二”的文章。他从事心理物理学研究，发现无论研究何种感觉模态，如声源强度或溶液的咸味，人类受试者大约只能区分七个不同的类别。由于3比特信息代表从000到111的八个不同类别，因此可以得出结论：理论上能够每秒传输