44、单细胞随机模型：神经活动的随机奥秘探索

单细胞随机模型：神经活动的随机奥秘探索

1. 神经生理学实验基础与神经元编码观点

在神经生理学领域，大多数实验都基于从单个或多个神经细胞记录的尖峰序列。当将所有动作电位视为相同，仅考虑其产生时间时，实验者会得到一个离散的时间事件序列 {t₁,···, tₙ}，其中 tᵢ 对应第 i 个尖峰的发生，以此来表征尖峰序列。这个尖峰序列会沿着轴突传递到神经元的所有目标细胞，并且它包含了细胞所代表的所有相关信息（假设不存在树突 - 树突连接）。

目前关于神经元编码存在两种对立观点：
- ** firing rate 观点 ：认为在合适的时间窗口内平均的 firing rate（如公式 14.1 或 14.2 所示）与信息处理相关。
- ** correlation coding 观点 ：主张单个细胞内以及多个细胞之间尖峰的相互作用进行信息编码。

尖峰序列的一个关键特性是其看似随机的性质，这与数字计算机中的开关操作截然不同。这种随机性在中枢神经元对感觉刺激的高度不规则放电模式中表现得很明显，每次试验的细节很少能重现。这种缺乏可重复尖峰模式的现象，成为支持神经元只关注长时间窗口内平均 firing frequency 这一假设的主要论据之一。平均速率编码对“粗糙”的硬件具有很强的鲁棒性，但在每个尖峰传输最大信息量方面相对低效。而在尖峰之间的间隔中编码信息显然更高效，特别是当多个神经元之间存在相关性时。不过，这种方案对能够解码此信息的突触后神经元提出了更高要求。

由于规则间隔的动作电位序列几乎无法编码信息，这就引出了一个问题：神经元放电的可变性究竟有多大？能否从细胞的生物物理学和突触输入的角度解释观察到的随机性呢？随机