1、神经元计算的生物物理机制探索

神经元计算的生物物理机制探索

1. 生物物理与计算的融合

在科学研究领域，生物物理学与计算和信息处理这两个看似不同的领域正逐渐走向融合。传统上，离子通道、突触、树突和神经元的生物物理学研究，以及计算和信息处理的研究是分开进行的，各自有优秀的教科书。然而，将特定的生物物理机制与具体的计算联系起来的研究却相对较少。例如，视网膜神经节细胞树突中兴奋性和抑制性突触之间的非线性相互作用，实际上实现了乘法运算。分析这些线性和非线性操作，需要我们理解信息在这一层次上编码的可靠性、信号的带宽等。

思考大脑式的计算需要一种独特的思维方式，它与生物物理学家的思维方式相关但又有所不同。以化学突触为例，我们既可以从复杂的突触前和突触后元素、离子通道、钙结合蛋白等生物物理角度去思考，也可以将其视为一种非互惠的、随机的开关装置，能够在两个神经元之间快速传输二进制信号，并记录其使用历史。因此，我们必须同时关注生物物理学和计算这两个方面。

2. 研究历程与背景

这项研究历经多年发展。早在20世纪80年代初，研究者在图宾根的马克斯·普朗克生物控制论研究所攻读博士学位期间，就开始构思相关内容。之后，在麻省理工学院与Tomaso Poggio继续研究“计算的生物物理学”，期望生物学中存在少量规范的生物物理机制来实现所有相关计算。当研究者加入加州理工学院新的“计算与神经系统”研究生项目后，在众多同事的影响下，如约翰·霍普菲尔德、卡弗·米德、弗朗西斯·克里克和特伦斯·塞伊诺夫斯基等，本书的大纲逐渐形成。许多章节源于研究者在加州理工学院的讲座，以及在伍兹霍尔海洋生物实验室共同指导的“计算神经科学方法”暑期课程。

3. 相关基础概念

3.1 被动神经元膜结