15、生物系统动力学：从瞬态到频域的探索

生物系统动力学：从瞬态到频域的探索

1. 神经元放电阈值与信息处理

解决与动作电位产生相关的问题，对于理解神经系统如何处理信息和进行计算至关重要。当神经元之间的距离超过几毫米时，它们之间的唯一通信方式是由动作电位驱动的离散突触电位，这意味着活体神经网络是脉冲耦合的。此外，随着可植入电子设备（“电疗设备”）的发展，人们开始寻找能节省电池寿命的高效神经元刺激方法。

2. 有界时变状态

2.1 生物动力学系统的特性

生物中的动力学系统非常复杂。在较长的时间尺度上，如生物体的生命周期，动力学是有界且时变的。“时变”将这些动力学与平衡态和稳态区分开来，因为后两者是与时间无关的状态。“有界”反映了自然界的“制衡”机制，生物系统的动态轨迹通常既不会趋向零也不会趋向无穷，而是在这些界限之间波动。

2.2 介观状态及其维持机制

介观状态用于描述复杂的（非周期性）有界且时变的状态。多种机制有助于维持介观状态：
- 神经系统 ：在人类大脑中，每个神经元的兴奋性输入远多于抑制性输入，因此神经活动不会趋近于零。同时，神经不应性、适应性和有限的能量资源确保神经放电频率不会超过约 700 Hz。
- 动物种群 ：当种群密度较小时，窝仔数增加，妊娠期缩短；而当种群密度较大时，这些趋势会逆转。此外，疾病机制的效率和生物体的行为也会随种群密度而变化。

2.3 生物系统的动态变化与反馈机制

生物动力学系统本身可以动态变化，但这一观点尚未得到足够的关注。在生理控制中，通常涉及多个反馈回路，相关的网络拓扑结构可能