2、探秘大脑计算的生物物理机制

探秘大脑计算的生物物理机制

1. 大脑计算概述

大脑具备强大的计算能力，这是众多致力于探索神经系统设计与运作原理的神经科学家所公认的事实。大脑接收外界的感官数据，将其编码为诸如膜电位或神经元放电率等生物物理变量，随后对这些变量进行大量模糊定义的操作（常被称为计算），以从输入中提取相关特征。部分计算结果会被存储起来，以备后续使用，并最终以适当的方式控制动物的运动输出。

1.1 大脑计算的研究目标

深入理解负责这些计算的生物物理机制，研究感知和运动控制背后的信息处理类型，时间尺度从毫秒到秒的分数级别。

1.2 大脑计算的示例

当我们试图将一对立体图像融合成双眼感知时，大脑会忙碌地进行计算，以找到“最佳”解决方案。那么，在神经元和亚神经元层面，支撑这一卓越表现（远超任何机器）的计算基元是什么呢？用电子电路设计师的话来说，大脑中的“二极管”和“晶体管”是什么？这些基本电路元件执行何种操作？

1.3 神经细胞的复杂性

与普遍观点不同，神经细胞远比神经网络领域的研究认为的要复杂。传统观点将神经细胞简化为仅计算输入的阈值总和。然而，例如蝗虫的单个神经细胞能执行类似乘法的操作。那么，在存在突触、离子通道和膜的情况下，这一操作是如何实际执行的呢？神经元如何整合、延迟或改变其输出增益？携带信息的相关变量是什么？是膜电位，还是细胞内钙离子浓度？它们的时间分辨率如何？这些信号的可变性有多大，以及这如何决定它们编码信息的准确性？用于存储这些计算中间结果的变量是什么？长期记忆又存储在哪里？

1.4 大脑与技术的类比

西方的自然哲学家和科学家一直将大脑与当时最先进的技术进行类