淺析將現(xiàn)代物理學(xué)中的理論和方法應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)

　　關(guān)鍵詞：生命科學(xué);物理;問題

　　神經(jīng)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)和功能極其復(fù)雜的生命信息處理系統(tǒng)。對神經(jīng)系統(tǒng)的深人研究，將為最終解決意識(shí)與思維之謎，開辟前進(jìn)的道路。但是神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，一刻也離不開現(xiàn)代物理學(xué)的理論與方法的先導(dǎo)和支持。從生物物理學(xué)的角度出發(fā)，著重介紹生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與運(yùn)行特征，并進(jìn)一步探討將現(xiàn)代物理學(xué)中的某些理論和方法，應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究的可能性。

　　關(guān)扭詞生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)信息雙重編碼，高維信息編碼空間，分形與分維，正電子斷層圖在自然科學(xué)的研究領(lǐng)域中有四大疑難問題，亦可稱之為四大謎，即:(l)物質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎;(2)宇宙起源之謎;(3)生命過程之謎;(4)思維本質(zhì)之謎。

　　物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙起源問題屬于物理科學(xué)的研究范疇，而生命過程與思維本質(zhì)的研究則屬于生命科學(xué)的范疇。20世紀(jì)是物理科學(xué)取得輝煌成就的世紀(jì)。在微觀和宇宙觀方面，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙起源的認(rèn)識(shí)，比起上一世紀(jì)，已取得飛躍的進(jìn)展。科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)。不同領(lǐng)域的科學(xué)家將共同努力，為解決生命過程之謎和思維本質(zhì)之謎開展協(xié)作研究。

　　從歷史上看，生命科學(xué)的發(fā)展一直依賴于物理科學(xué)的進(jìn)步�，F(xiàn)代物理學(xué)中的新概念、新理論和新方法對生命科學(xué)的研究，對揭示生命復(fù)雜過程的機(jī)制，起著關(guān)鍵性的先導(dǎo)和啟示作用。1933年著名的量子論奠基人波爾田在他的講演《光與生命》中即提出用量子力學(xué)的方法研究生命科學(xué)的觀點(diǎn)。另一位量子力學(xué)創(chuàng)建人薛定愕圖在他的著名論述《生命是什么》一書中，即明確提出生命依賴于負(fù)姥的觀點(diǎn)，并預(yù)言，生命的信息即存儲(chǔ)于非周期性的晶體之中。正是由于波爾和薛定愕等理論物理學(xué)家的倡導(dǎo)，一批優(yōu)秀的物理學(xué)家轉(zhuǎn)人生命科學(xué)研究的領(lǐng)域中來，導(dǎo)至DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。1954年著名的理論物理學(xué)家，大爆炸理論的創(chuàng)始人伽莫夫以其天才的預(yù)見，提出核昔酸三聯(lián)密碼的理論[31。遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)使生物學(xué)家掌握住理解生命活動(dòng)規(guī)律的鑰匙，為分子生物學(xué)的發(fā)展，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　至于闡明意識(shí)與思維活動(dòng)的奧秘，問題顯然是更加困難得多了。這是因?yàn)榇竽X是結(jié)構(gòu)和機(jī)能極其復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它不單是認(rèn)識(shí)的主體，而且也成為認(rèn)識(shí)的客體。因此單純依靠用生物學(xué)的觀測與實(shí)驗(yàn)方法，是很難理解整個(gè)大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理和活動(dòng)規(guī)律的，這就必須借助于現(xiàn)代物理學(xué)的新概念、新理論和新方法，建立研究腦工作原理的新的理論體系和新方法，才能解決生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所遇到的復(fù)雜性難題。

　　80年代初期，H叩field[4J根據(jù)物理學(xué)中的“自旋玻璃”(spinglass)的相互作用理論，建立了具有廣泛回路的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論。他還首次引人計(jì)算能量函數(shù)的概念。Hopfield應(yīng)用Issing的自旋玻璃系統(tǒng)理論證明，計(jì)算能量是有界函數(shù)，而且在狀態(tài)空間中有局域極小值，這是聯(lián)想記憶的基礎(chǔ)。

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和研究方法的出現(xiàn)，給生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究帶來了新的沖擊和希望。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的突觸連結(jié)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)整，并行處理的計(jì)算原則，信息的分布式存儲(chǔ)和按內(nèi)容尋址，網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)局域極小值的形成和演化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性(robuso與高度容錯(cuò)性，非線性連結(jié)的高階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特性，突觸和突觸之間的相互作用，自學(xué)習(xí)、自組織和自適應(yīng)以及具有聯(lián)想記憶的功能等，都和腦的工作原理十分相似。因此，認(rèn)真結(jié)合生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中的新成就以應(yīng)用于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)規(guī)律的研究中來，成為當(dāng)前神經(jīng)科學(xué)的前沿領(lǐng)域。

　　一、生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及其與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的比較

　　大腦的結(jié)構(gòu)和功能雖然十分復(fù)雜，但卻是由一種主要的元件組成。組成大腦的基本單元稱為神經(jīng)元。100年前，著名的西班牙神經(jīng)學(xué)家卡哈爾(Caial)首創(chuàng)神經(jīng)元學(xué)說(neuronedoctrine)，他認(rèn)為神經(jīng)系統(tǒng)是由神經(jīng)元組成，神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單元和功能單元。神經(jīng)元之間以突觸相互連結(jié)，組成復(fù)雜的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元學(xué)說奠定了大腦結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的重要里程碑，卡哈爾亦因此而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。人腦約有10”一1011個(gè)神經(jīng)元。神經(jīng)元的大小和形狀差異很大，但其主要結(jié)構(gòu)都是由三部分組成，即胞體、樹突和軸突。樹突比較粗短而且反復(fù)分支。在功能上樹突和胞體是神經(jīng)元的感受和整合(integration)部位。樹突和胞體接受外界或來自其他神經(jīng)元的傳人信息并加以整合，再傳導(dǎo)至軸突。軸突的長短不等，有的神經(jīng)元軸突很短，只有幾微米;有的很長，超過一米以上。軸突發(fā)出多個(gè)側(cè)支，最后反復(fù)分支形成復(fù)雜的神經(jīng)末梢。其終末部分膨大，與其他神經(jīng)元建立突觸聯(lián)系。突觸的數(shù)目很多，據(jù)估計(jì)人類大腦皮質(zhì)的一個(gè)神經(jīng)元可有多達(dá)103一10‘個(gè)突觸。突觸是兩個(gè)神經(jīng)元之間的功能性接觸部位，由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜三部分組成。突觸后膜上有許多神經(jīng)離子通道。離子通道是生物的納米級微電子器件，是由蛋白質(zhì)大分子組成的特殊單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)微電路。Hodgkin和Huxley提出的離子通道理論，是神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的又一重要里程碑，它使神經(jīng)科學(xué)的研究，扎實(shí)地建立在神經(jīng)分子生物學(xué)的基礎(chǔ)之上，并因此而被授與諾貝爾獎(jiǎng)金。離子通道分子的直徑一般為10nm左右，可分為受體和孔道兩部分。受體是和某些特殊的神經(jīng)活性物質(zhì)結(jié)合的部位�？椎赖闹睆郊s為1一Znm，平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)神經(jīng)遞質(zhì)和受體的位點(diǎn)結(jié)合之后，通道即呈短暫的開放，讓離子通過，但開放時(shí)間一般只有數(shù)毫秒隨后又重新關(guān)上。離子通道開放時(shí)，通過的電流很小，只有10一uA數(shù)量級。物理學(xué)家Neher和Sakmann創(chuàng)建了測量單個(gè)離子通道電流白刨漠片低位(Patchdamp)方法，并因此而獲1991年諾貝爾獎(jiǎng)。離子通道與神經(jīng)遞質(zhì)的結(jié)合有高度特異性;另外，通道對離子的通過亦有選擇性，可分為鈉通道，鉀通道，鈣離子通道，氯離子通道等。離子通道的觸發(fā)輸人可以是化學(xué)控制，亦可以是電壓控制。大量的各種不同的離子通道分布于占神經(jīng)元總面積90并的樹突復(fù)雜分支的表面，既有空間分布的排列復(fù)雜性，又有多種化學(xué)信息編碼的復(fù)雜性。所以，一個(gè)神經(jīng)元實(shí)際上是包括107個(gè)微觸發(fā)器(離子通道)組成的集成生物電路元件，其復(fù)雜性可想而知。

　　根據(jù)以上所述，生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以水為基質(zhì)，并以鑲依在雙層脂膜表面的離子通道蛋白分子、離子泵、神經(jīng)遞質(zhì)(neurotransmitter:)。神經(jīng)調(diào)質(zhì)(neur二odulators)以及基因信息系統(tǒng)等有序的信息大分子組成的液態(tài)分子信息器件。它和以硅為基底，由有序的PN結(jié)，電阻和電容等元件組成的固態(tài)微電子集成電路的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)有很大的不同。特別是生物神經(jīng)元內(nèi)部的生物信息大分子，經(jīng)常處于合成和分解的動(dòng)態(tài)過程之中。一般的蛋白質(zhì)分子的半壽期不過數(shù)分鐘到十多分鐘。所以形象一點(diǎn)來說，生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元件是邊生產(chǎn)，邊組裝，邊拆卸。這種邊建邊拆的過程一旦停止，生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即隨之解體，不復(fù)存在。指揮這一生產(chǎn)流水作業(yè)線的機(jī)構(gòu)是神經(jīng)元內(nèi)部的基因調(diào)控系統(tǒng)。一般認(rèn)為，人類的結(jié)構(gòu)基因共有10萬種，大多數(shù)的細(xì)胞在正常功能狀態(tài)下只有少數(shù)(幾種至幾百種)基因處于活動(dòng)狀態(tài)。唯獨(dú)神經(jīng)元

　　約有三萬種基因經(jīng)常處于積極的功能活動(dòng)狀態(tài)。由此可見，神經(jīng)元絕非簡單的開關(guān)元件，而是具有豐富的內(nèi)源信息和進(jìn)行復(fù)雜信息存儲(chǔ)與胭工的元件，這正是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同于人工

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特征。

　　二、生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是信息增殖系統(tǒng)

　　物理系統(tǒng)一般可分為三類，即孤立系，封閉系和開放系。與外界環(huán)境既無物質(zhì)交換亦無能量交換的系統(tǒng)稱為孤立系。只有能量交換而無物質(zhì)交換的稱為封閉系。同時(shí)與環(huán)境有物質(zhì)交換和能量交換的系統(tǒng)稱為開放系。生物系統(tǒng)顯然屬于開放系統(tǒng)，它與環(huán)境既有物質(zhì)交換、能量交換而且還有信息交換。生物系統(tǒng)遵守質(zhì)量守恒和能量守恒法則。如果系統(tǒng)的物質(zhì)輸人流大于其輸出流，則一部分物質(zhì)將逐漸在系統(tǒng)內(nèi)部積存，這樣的系統(tǒng)屬于增殖系統(tǒng);如果輸出流大于輸人流，則系統(tǒng)將逐漸衰減。在一般情況下，生物系統(tǒng)的總質(zhì)量，大致是圍繞穩(wěn)態(tài)平均值作節(jié)律性波動(dòng)。但在生物系統(tǒng)的物質(zhì)輸人流中，相當(dāng)大的一部分是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的蛋白質(zhì)(氨基酸)、碳水化合物(單糖)、脂肪和其他營養(yǎng)素，而輸出的只是經(jīng)過代謝以后產(chǎn)生的簡單物質(zhì)，如水、二氧化碳及含氮的廢物(尿素、尿酸等)等。所以，人體的物質(zhì)輸入流并不單純在于補(bǔ)充物質(zhì)的損耗，而且也附帶輸人可供利用的化學(xué)自由能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的信息流。綠色植物則是另一種情況，它是利用環(huán)境輸人的能量流(光子流)經(jīng)過光合作用將簡繭的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)。生物系統(tǒng)利用環(huán)境輸人的物質(zhì)流和能量流，依賴其內(nèi)部的自增殖、自復(fù)制的代謝機(jī)理，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和機(jī)能的復(fù)雜性不斷增加，這就是信息的增殖系統(tǒng)。看來，信息的量并不存在守恒法則。我們認(rèn)為，質(zhì)量是物質(zhì)存在數(shù)量的量度，能量是物質(zhì)各種形式運(yùn)動(dòng)數(shù)量的量度，而信息則是物質(zhì)存在形式的復(fù)雜性和運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的量度。結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)過程的形式愈復(fù)雜，則系統(tǒng)的信息量也愈大，按照薛定愕的說法就是負(fù)嫡增加。大腦是結(jié)構(gòu)和機(jī)能極其復(fù)雜的生命信息處理系統(tǒng)。外界的信息流，可以通過兩種方式輸人神經(jīng)系統(tǒng):一是通過物質(zhì)流輸人的結(jié)構(gòu)信息，二是通過能量流(例如光波和聲波)作用于感受器的輸人信息。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)源信息也有兩種方式:一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的信息，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和聯(lián)結(jié)的信息。另一種是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)，自外界獲取各種信息，同時(shí)也可通過思維產(chǎn)生新的信息。這些信息可以進(jìn)一步記憶而存儲(chǔ)，也有相當(dāng)一部分因千擾與遺忘而逐漸消失。所以，生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是能產(chǎn)生新的信息的生物信息增殖系統(tǒng)。我們預(yù)期，物理學(xué)中的非平衡態(tài)熱力學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)理論、非線性復(fù)雜系統(tǒng)理論等，將在研究生命信息系統(tǒng)方面發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。

　　三、生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息的載體與編碼

　　當(dāng)前生命科學(xué)的發(fā)展趨勢是朝著最基本的分子生物學(xué)和最復(fù)雜的神經(jīng)生物學(xué)的兩極發(fā)展。正如核昔酸三聯(lián)密碼的發(fā)現(xiàn)，奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)那樣，我們認(rèn)為，攻克大腦“思維之謎”的關(guān)鍵是弄清大腦信息的存儲(chǔ)載體和大腦信息編碼方式這兩個(gè)最基本的問題，使腦信息加工機(jī)理的研究建立在客觀與定量的基礎(chǔ)之上。但有關(guān)這方面的問題，我們?nèi)允且粺o所知。

　　學(xué)習(xí)和記憶是人類大腦的重要功能。記憶是將學(xué)習(xí)取得的信息加以存儲(chǔ)，并能根據(jù)需要將記憶的內(nèi)容加以回憶和重現(xiàn)。目前普遍認(rèn)為，海馬是學(xué)習(xí)和記憶的關(guān)鍵部位。海馬是大腦深部的一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)，形狀和中藥的海馬的形狀十分相似，故名。PhelPs閉應(yīng)用正電子斷層圖(positronemissiontomography，PET)的觀察證明，正常人在積極進(jìn)行記憶活動(dòng)作業(yè)時(shí)，海馬的葡萄糖代謝率明顯增高，直接證實(shí)了海馬的記憶功能。我們的研究表明國，海馬的神經(jīng)元呈規(guī)則的六角形點(diǎn)陣(hexagonalarrays)排列，且具有很豐富的返回側(cè)支，形成復(fù)雜的神經(jīng)回路網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)和H叩field的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)十分相似。海馬還有特殊的苔狀纖維突觸集群，這是大腦其他部位所沒有的特殊的突觸結(jié)構(gòu)。一個(gè)突觸集群最多可包含十多個(gè)突觸，這些突觸相互聯(lián)系，相互作用，組成高階的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。高階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅功能更加復(fù)雜，而且還可大大增加信息的存儲(chǔ)容量。因此我們認(rèn)為，海馬的苔狀纖維突觸集群，很可能是生物神經(jīng)信息的主要載體，是記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　綜合目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的進(jìn)展，我們對大腦信息的存儲(chǔ)機(jī)理，提出以下生物神經(jīng)信息的雙重編碼理論(thedualeodingtheoryofthebiologiealneuralinformation)。神經(jīng)信息編碼至少可分為兩個(gè)層次，即神經(jīng)元狀態(tài)編碼(neuronicstatecode)和突觸位勢編碼(synaptiepotentialcode)。N個(gè)神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)，組成N維的信息編碼空間。

　　神經(jīng)元的狀態(tài)可有興奮與靜止兩種方式，可用1和O二進(jìn)制碼表示。神經(jīng)元不同狀態(tài)的組合，對應(yīng)于N維空間超立方體(Hypereube)的2N個(gè)頂點(diǎn)。外部世界的輸人信息，進(jìn)人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)即發(fā)生變化，通過神經(jīng)信息分子的生物物理和生物化學(xué)過程，促使突觸的聯(lián)系強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，形成新的突觸連系格局，從而組成慢變的突觸記憶編碼。根據(jù)HoPfield的理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能量函數(shù)，是和神經(jīng)元狀態(tài)的編碼，r，和勾，以及神經(jīng)元之間的突觸連系強(qiáng)度編碼Ti，二者有密切關(guān)系的綜合函數(shù)，可以計(jì)算出不同狀態(tài)的計(jì)算能量。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中具有十分復(fù)雜的能量分布形式，并在高維空間中形成多個(gè)的能量極小值，稱為局域極小值。不同的事件信息即存儲(chǔ)于局域的能量極小值之中，稱為記憶單元(engram:)。但如何顯示高維空間的能量分布格局以及追蹤趨向極小值的動(dòng)態(tài)徑跡，是一個(gè)十分困難的問題，目前尚無報(bào)道。我們知道，現(xiàn)實(shí)的時(shí)空四維空間是由三維的幾何空間再加上一維的時(shí)間所構(gòu)成。更高維的空間即屬于參數(shù)空間，例如壓力，溫度，化學(xué)組分或是光的強(qiáng)度與光的波長變化在現(xiàn)實(shí)四維時(shí)空的動(dòng)態(tài)分布等。為了顯示高維空間的拓樸圖象，我們根據(jù)各頂點(diǎn)與原點(diǎn)的漢明距離，作出N維空間的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)視圖。我們以10維的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對四種不同類型的心律不齊的心電圖進(jìn)行鑒別診斷。我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過學(xué)習(xí)以后，對應(yīng)于四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)診斷樣本的編碼頂點(diǎn)，確為局域能量的極小點(diǎn)，其能量值分別為一82，一70，一70，一70。圍繞局域能量極小值的周圍，其能量的高低起伏格局各不相同。我們發(fā)現(xiàn)，在1024個(gè)頂點(diǎn)中約有2/3的頂點(diǎn)，能自動(dòng)收斂進(jìn)人鄰近的局域能量極小點(diǎn)，但還有1/3的頂點(diǎn)不能收斂到相應(yīng)的極小值點(diǎn)，而是在等能量值的兩點(diǎn)之間來回振蕩。為了突出顯示每一個(gè)極小值點(diǎn)附近吸引區(qū)的能量分布拓樸結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)用按位加法進(jìn)行變換，將相應(yīng)的極小值點(diǎn)與原點(diǎn)交換，移至左側(cè)端的頂點(diǎn)，組成以極小值點(diǎn)為中心的10維側(cè)錐體。以一82極小值點(diǎn)為例，其漢明距離為1的頂點(diǎn)均可一步到位，收斂到極小值點(diǎn)，但其能量值各不相同，其中有兩點(diǎn)的能量值為一62者，是進(jìn)人一82點(diǎn)的門戶，一些漢明距離較遠(yuǎn)的頂點(diǎn)，大都經(jīng)過這兩點(diǎn)進(jìn)人極小值點(diǎn)。漢明距離為2的各頂點(diǎn)，亦全部能收斂到極小值點(diǎn)，其中能量較高的點(diǎn)，卻是一步跳人極小值點(diǎn)，稱為對角躍遷(diagonaltransction)，而能量較低的點(diǎn)則是分別通過那兩個(gè)一62的點(diǎn)分兩步進(jìn)人極小值點(diǎn)，而且這些點(diǎn)在空間中的排列都比較規(guī)則。漢明距離為3的各個(gè)頂點(diǎn)，有的是一步直接進(jìn)人極小值點(diǎn)，呈三維對角躍遷，這些點(diǎn)的能量都較高。

　　有些點(diǎn)是通過漢明距離為2的對角躍遷的頂點(diǎn)分兩步進(jìn)人。有些漢明距離為3的頂點(diǎn)，則收斂到附近別的極小值點(diǎn);而能量較低的都是經(jīng)過“能量溝”(energygroove)，即通過一62能量點(diǎn)分三步到達(dá)極小值點(diǎn)。有趣的是，一些能量為一14的頂點(diǎn)，并不收斂到這四個(gè)極小值點(diǎn)之一，而是與另一個(gè)漢明距離為6，能量為一14的另一點(diǎn)產(chǎn)生來回振蕩。即成為偽吸引子。我們認(rèn)為，應(yīng)用高維信息編碼空間的能量分布圖像，可以觀測在學(xué)習(xí)過程中由于突觸連結(jié)的強(qiáng)度變化引起的能量分布的改變以及局域吸引子的形成過程，這對研究學(xué)習(xí)、思維與記憶的機(jī)制有重要意義。

　　四、神經(jīng)元的形態(tài)與分維

　　所有的神經(jīng)元都是由最初呈圓球形的神經(jīng)母細(xì)胞逐級分支所形成。但由于其生長參數(shù)不同，因而形成形態(tài)各異的不同類型的神經(jīng)元。神經(jīng)元的生長參數(shù)包括生長錐的生長速度，出現(xiàn)分支的時(shí)間間隔，分支與主干的夾角，各級分支的徑向增粗的速率等。目前，對神經(jīng)元的形態(tài)發(fā)生過程與調(diào)控機(jī)制尚一無所知。預(yù)計(jì)在神經(jīng)元的基因組中有形態(tài)生長基因，保存有不同階段的生長參數(shù)的信息，從而對神經(jīng)元的生長與分化進(jìn)行調(diào)控。應(yīng)用非線性物理學(xué)中的分形與分維的理論，對神經(jīng)元的形態(tài)及其形成過程的研究，對研究生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成與功能聯(lián)系過程，有重要意義。

　　五、PET技術(shù)與腦功能研究

　　正電子斷層圖(PET)是核物理學(xué)在腦科學(xué)研究中作出的重大貢獻(xiàn)。PET是將帶有能夠發(fā)射正電子核素標(biāo)記的生物活性物質(zhì)，注人人體內(nèi)，再應(yīng)用示蹤動(dòng)力學(xué)模型，研究這些物質(zhì)的動(dòng)態(tài)分布過程，從而顯示腦的代謝和機(jī)能代謝的圖像t6]。例如，在光刺激下，正常人的視覺皮質(zhì)的葡萄糖代謝率明顯升高;如果觀察一幅色彩鮮艷的風(fēng)景圖畫，則其代謝率增大更加明顯而且向視覺皮質(zhì)周圍的聯(lián)合區(qū)擴(kuò)展。在聽覺刺激下，主要是雙側(cè)顆葉的聽覺皮質(zhì)代謝率增高，而且還觀察到，在語言刺激時(shí)，善用右手的人其左側(cè)聽覺皮質(zhì)的代謝率增強(qiáng)比較明顯，而在欣賞音樂時(shí)，則以右側(cè)聽覺皮質(zhì)增強(qiáng)明顯。證實(shí)了左側(cè)大腦半球以語言功能為主，右側(cè)大腦半球以音像功能為主的推斷。但當(dāng)音樂家在聽音樂時(shí)，其雙側(cè)的聽覺皮質(zhì)代謝率均明顯增高，這表明音樂家已將音樂和語言加以結(jié)合和理解了。老年性癡呆患者其腦血流量和氧代謝率和同年齡的正常老年人相比，都下降了40多，葡萄糖代謝率下降了25多，以額葉皮質(zhì)最明顯，從而證實(shí)額葉在人的智能活動(dòng)中起關(guān)鍵性作用。正電子斷層圖是目前唯一的能夠在無損傷的情況下，直接觀測正常人腦的功能活動(dòng)的裝置，比腦電圖和腦磁圖的空間分辨率高，定位準(zhǔn)確，而且有明確的機(jī)能意義。它在研究感覺、認(rèn)知，語言、學(xué)習(xí)、記憶、思維、推理等方面將起重要作用。

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