脑科学建模的相关问题讨论

             Brain modeling related issues to discuss

                    都世民（Dushimin)

            为什么要讨论脑科学建模问题？

脑科学研究是当今科技界前沿热点课题，也是最复杂的研究课题，人称“小宇宙”可不是跨张说法。研究对象构造复杂，研究信息涉及大宇宙诸多方面。就其层面是多层次，包括微纳层面至宏观米量级。就其检测手段现在很有限，特别是无创、实时检测微观组分（例如血液循环、基因、骨髓、经络等）很困难。

就人的学习、记忆、存储、提取、思维、创新等机理尚无标准说法，高级神经功能的形成机理的认定是相当困难的。

1.就动物找回家的路的机理分析就出现多种解读：

1.）将细胞界定为位置细胞、角度细胞、速度细胞、导航细胞及小GPS系统；

2.）是合成蛋白质具有取向功能；

3.）动物身上有传感器和天线；

4.）回家有意识思维，是大脑深部屏状核整合了大脑自身的信息和外界传入的信息，才得以完成。

5.）能否找到回家位置还取决于地面参照物，如果原有参照物消头，是很难寻找到回家位置。

2.另外，记忆存储问题也有多种解读：

1.）记忆的形成主要与大脑皮层的神经元相关。神经元会对人们遇到的事物进行编码，在相同时间，出现的事物分别刺激某—神经元，同时被激发的这几个神经元之间共同构成一个神经回路，这个回路就是一段记忆。

2.）认为大脑内侧颞叶的神经细胞与“事件记忆”密切相关。

3.）忆并不是存储在大脑某一部分，而是广泛存在于皮质各处，可能就是在神经元以及突触及他们的通道之间;．

4.）海马区新生神经元负责对相同的记忆元素进行分类、归档、存储。新生神经元是不断更新的，排除记忆中干扰的任务就由它们完成。

5.）大脑就是这种细胞组成的复杂系统。单个神经元不能够看见、推理或记忆，但是大脑却可以具有这些能力。视觉、推理和记忆被理解为较高级的功能。

6.）记忆的形成，在教科书上是这样描述的：两个相邻的脑细胞通过突触连结，释放出化学物质来传递信息时，记忆就形成了。当大脑回忆时，这些连接就会重新被激活，并得到加强。一个多世纪以来，一直以为记忆存储在突触中。这是神经学科主流观点。

3.神经元总量说不清：

1）[德]克劳斯，迈因策尔：人的大脑中至少有100亿个神经细胞（神经元）。

2）许智宏院士：大脑是由几百亿个神经元组成的一个庞大的信息处理系统，它通过复杂的网络结构，为人类提供语言、记忆、认识、情感等高级神经功能。

3）杨雄里院士：大脑的神经细胞大概是1011个，这就相当我们整个银河系星体的总数。此外，它还有比神经细胞多10 - 50倍。【3】神经细胞问通过突触联系在一起，突触的总数超过1014。

4）中国科学院电子所蔡新霞：大脑是一个复杂的组织系统，包括数十亿个神经元和多种感官信息传递机制，通过密切协调才能控制人或动物的思维和行为。

5）东南大学学习科学研究中心王海贤：大脑的重量只有约1.4kg，但却包含了1000多亿个神经元，是宇宙中已知的最复杂、最精密的组织。

6）蒲慕明院士：人类大脑是由1千亿个神经元和更多其他类型的细胞组成，这些细胞形成10的15次方相互联系，在数学是一个排列组合问题，计算量很大，需要配置超级计算机系统。

7）李奇:端脑在医学和解剖学上也被称为大脑，它是由左右两个半球和基底核构成。成人的大脑一般由 100亿---160亿神经细胞和100万亿个突触以及比其多10倍的胶质细胞(dial cell)构成，体积占整个中枢神经系统一半以上，重量占全部脑重量的60% - 70%。大脑半球的表面称为大脑皮质，总面积可达55000pxz - 65000px2，集中了约140亿个神经细胞。(来自日本学术界的看法)

上面列举三个例子，说明生物学界对有些问题看法不一致，说明什么呢？

一是学术争论；

二是单纯从微纳层面观察,会对宏观问题作出多种解释，那种解释靠谱？

三是重视微纳层面，忽略了时空跨越需要验证。

四是把观察的现象当作事物本质.

不难看出，生物学界的一些难题的解决或突破,寄希望于新的试验工具的出现，同时也需要多视角的理论建模。

                 建模的目的与意义

人脑是一个复杂、稳定平衡系统。是由多层次、多尺度、多组分、组成的高级复杂巨系统。它具有多变量、多子系统、调控机制复杂的特点。而且多变量、多参数不能实时、无损伤在体检测。因此单纯用实验的方法很难揭示人脑的实质和内在规律。而且实验方法有限，不能深入揭示这小宇宙奥秘。

另外通过人脑建模及仿真来预测各变量的控制效果，从而为医疗预防、药物研制开发、环境影响评估提供有力保证。从而分析人脑组分之间复杂关系，获取各变量或参数的定量变化规律，揭示人脑与周围环境、人体本身的发育成长及变易的规律。另外通过人脑建模及仿真来预测各变量的控制效果，从而为医疗预防、药物研制开发、环境影响评估提供有力保证。

                   信息的定义

信息可以表征或反映包括运动状态、时间、结构、质量、形状、速度、能量、有序性、不均匀性、稳定性等一切物质属性，而不仅是某一种具体属性。这样定义，就更能揭示信息概念的本质，也更具有普适性。【1】

【1】倪鹏云，信息定义基本出发点，来源：科学网博客。

上述定义若作为小宇宙建模的定义有些缺陷，小宇宙的研究涉及从微纳层面向宏观跨度的多层面、多尺度、多结构、多形状等特点。与计算机和其它电子系统有所不同。

在数字技术未出现之前，信息是模拟式，如今是数字式。如果将信息是否编码作为信息与信号的区别，将信号排除在建模之外是有问题的。

当然将信息定义包含诸多参量会给建模带来困难。在建模中再具体讨论。

                        传输信息的载体

许智宏院士在以“21世纪的生命科学”为题的讲座中指出：“大脑是由几百亿个神经元组成的一个庞大的信息处理系统，它通过复杂的网络结构，为人类提供语言、记忆、认识、情感等高级神经功能。它是生物体中最复杂的结构。”

这段话没有点明脑的高级功能的信息是怎么形成和传输的。生物学家对脑信息传输是以离子通道来说事。这离子通道是微纳层面，而脑电波是宏观层面，信息的传输和存储及提取都是在宏观层面，这跨时空靠什么链接呢？

大脑就是这种细胞组成的复杂系统。单个神经元不能够看见、推理或记忆，但是大脑却可以具有这些能力。视觉、推理和记忆被理解为较高级的功能。倾向于自下而上研究策略的科学家提出，只有每一神经元和突触的特殊性质都得到探讨和解释以后，大脑的那些较高级功能才能得到认识和理解。【2】

【2】  [德]克劳斯，迈因策尔 ，复杂性思维---物质、精神和人类的计算动力学，曾国屏苏俊斌译，上海辞书出版社，2013.12。

然而在脑科学建模时，应该明确信息传输是有线还是无线。有线传输载体是电流；无线传输载体是电磁波。会不会有第三种载体呢？如今在大宇宙，因引力和拉力不等，天文学家就认定有暗物质。2015年12期的环球科学在星际空间标出暗物质位置。也就是说天文学家已认为：找到暗物质在哪里！否则凭什么绘制出暗物质位置。假如这个结论是正确的，小宇宙内有无暗物质呢？按美国NASA专家的说法，暗物质可穿过地球不拐弯，却看不见。如今生物学界也有“气”与“火”之说，中医也有阴阳学说和经络说，这些说法用解剖学都无法证实。有没有可能这类看不见的“气”与“火”通道是电磁波或是暗物质呢？尚不得而知。

19世纪，生理学家发现，依赖于个体细胞的神经系统显示出诸如感觉、视觉和肌肉运动等宏观效应。这些细胞通过引发电流或对电流作出反应，从而能够接收和传送信号。【2】这里明确指出了传输信息是因为细胞通过电流作出的反应。不是电磁波。

神经元自身就是一个复杂的电化学装置，其中包含有连续的内部膜电位。如果膜电位超过了一定的阈值，神经元就会传送一个数字动作电位给其他的神经元。神经冲动在细胞体中产生，并沿着轴突传导，具有一个或多个分支。神经学家通常区分出兴奋突触和抑制突触，这使得神经元或多或少可能发放动作电位。围绕着神经元的树突可以接收来自数十个到数千个其他神经元发送来的信号。神经元的活性是用它的发放频率来度量的。生物神经元并非二元的，因为输出是连续的。【2】在微纳层面信息传输是连续的；是电化学装置；由突触输入，轴突输出；而树突可接收数十至数千神经元信号；度量活性是发出的频率等几个关键因素。

应当指出的是，如果建模不是自下而上，而是自上而下时，由感官产生信息，包括眼、耳、鼻、舌、身、意。在分析感官产生的信息时，却离不开电磁波。

由于篇幅限制，关于几种脑科学建模的比较和讨论，在下面博文中详细讨论。