52、理论神经解剖学：分析神经网络的结构、动态和功能

理论神经解剖学：分析神经网络的结构、动态和功能

1. 引言

哺乳动物的大脑是一个神奇的器官，其神经网络不仅产生了我们的意识体验，还促使生物体在环境中产生适应性行为。然而，理解大脑的结构、动态和功能面临诸多挑战。生物神经网络会随时间变化，其详细结构难以阐明，神经元单元和突触连接也高度异质。

人类大脑皮层包含约300亿个神经元和约1×10¹⁵个连接。每个神经元的状态随时间复杂变化，神经元的固有属性和连接数量也各不相同。而且，大脑结构会因神经基质、神经活动以及生物体在环境中的具体行为之间的持续相互作用而不断改变。

本文主要从网络理论的角度，介绍理解神经网络结构、动态和功能方面的最新进展，重点分析脊椎动物的皮层网络。神经网络的结构由特定时间内神经元之间的突触连接体现，突触强度会因可塑性过程而随时间变化。动态指神经网络支持的神经放电模式，有大量证据表明认知和感知状态与神经活动的动态模式密切相关。功能则指这些放电模式在更大系统中的作用，即促使生物体在环境中产生适应性行为。

结构和神经解剖学分析与当前网络理论直接相关。将神经网络表示为有向图，可应用图论和统计聚类分析的多种工具。目前，与互联网等人工网络相比，我们对脊椎动物皮层的详细连接了解较少。不过，生物神经网络的拓扑结构可在不同空间尺度上描述，对相互连接的大脑区域进行图论分析，揭示了包括“小世界”特征在内的独特结构组织。

网络结构为动态过程提供基础。大多数从神经组织记录的动态数据是离散动作电位（即“尖峰”）序列，且尖峰的精确时间对正常神经操作很重要。统计信息理论可用于描述这些动态，本文将介绍熵、“整合”和“神经复杂性”等信息理论指标。理论模型表明，优化以产生每种动态的网络具有独特的结构特征。特别值得关注