《脑机接口导论》学习笔记 2.神经科学基础
? ? ? ? 寫在之前：最近元宇宙概念開始爆火，筆者認為該領域技術上的基礎實現還有很長一段路，客戶端口的兩種實現途徑：基于VR/AR的傳感技術或是基于腦機的控制技術在國內的相關研究較少，最近開始腦機相關的學習，再此進行一些記錄以便回顧復習，也希望可以幫助到需要的人。
目錄
2.神經科學基礎
2.1神經元
2.2動作電位或鋒電位
2.3樹突與軸突
2.4突觸
2.5鋒電位的產生
2.6神經連接的調節：突觸可塑性
2.7大腦組織解剖學結構和功能
2.8小結
2.9問題與習題
2.神經科學基礎
2.1神經元
? ? ? ?神經元，也就是神經細胞，是神經系統最基礎的組成單位。在腦機研究領域中，比較重要的是神經元內外離子濃度變化導致的電位產生。其中神經元外主要以Na+，Ca2+，Cl+離子為主，而神經元內以K+，A-為主，細胞內陰離子濃度大，表現為-60mV到-70mV的靜息電位，該電位為維持通過細胞消耗能量保持。
2.2動作電位或鋒電位
? ? ? ?動作電位指的是膜電位快速上升與下降的過程，其中膜電位大小由膜內電位減去膜外電位組成，當神經元受到足夠強的輸入之后，Na+進入細胞內使膜電位上升，隨后K+流出使膜電位下降，這個過程形成的曲線被成為鋒電位，而此后還有一個緩慢的電位波動被成為后電位，動作電位=鋒電位+后電位，而一般所說的動作電位也就指的是鋒電位。
? ? ? 鋒電位是神經元間通信的主要模式，其波形是固定的，所以主要攜帶信息的是鋒電位的放電率（每秒鋒電位的數量）和鋒電位出現的時間。
2.3樹突與軸突
? ? ?神經元細胞體的連接分支被稱為樹突，而樹突的分支稱為軸突，軸突可將神經元輸出的鋒電位傳輸到其他神經元。
2.4突觸
? ? ? 突觸是神經元之間信息交流的媒介，其本質是神經元的軸突與另一神經元的屬樹突的間隙，其產生興奮性神經后電位或者抑制性神經后電位。
2.5鋒電位的產生
2.6神經連接的調節：突觸可塑性
? ? ? 大腦具有適應功能，來源于神經元突觸的可塑性，突觸之間的可塑性可以改變神經元之間的連接強度。其可塑性分為長期可塑性（LTP，LTD）與短期可塑性（STDP）。
? ? ? ? LTP（長時程增強）是突觸可塑性中最主要的形式，其產生于兩個神經元之間的放電活動。當一個神經元持續參與另一個神經元的活動，這兩個神經元之間的連接強度就會加強，目前主要發現于海馬體與新皮質中。
? ? ? ? LTD（長時程抑制）通過兩個神經元之間的不放電活動減弱突觸之間的連接強度，雖然其與LTP在海馬體與新皮質中共存，但主要存在于小腦之中。
? ? ? ? STDP（時序鋒電位可塑性），由于傳統LTP/LTD的測量是同時刺激突觸前神經元與突觸后神經元，而實驗中發現突觸前鋒電位前于突觸后鋒電位可以使突觸強度增強，而突觸前鋒電位滯后于突觸后鋒電位可以使突觸強度減弱，這種現象被發現于哺乳動物的小腦中。
? ? ? ? ?上述突觸可塑性都屬于長期突觸可塑性，其變化引起長達數小時、數天甚至更長。在短期可塑性中，STD（短期抑制）會使每一個后續的鋒電位的影響逐步減弱直到達到平衡點，而STP（短期激勵）會使每一個后續鋒電位的影響逐步增強直到達到飽和點。STP與STD對于調節皮質網絡的動態特性起到重要作用。
2.7大腦組織解剖學結構和功能
? ? ? ? 人的神經系統分為中樞神經系統（CNS）和外周神經系統（PNS）。
? ? ? ? 中樞神經系統由大腦和脊髓構成。脊髓是大腦向全身肌肉傳達運動控制信號，并從全身皮膚肌肉獲得感受的通道。大腦有不同的神經元簇和分區構成。大腦底部，髓質、中腦、腦橋組成腦干，向其他身體部位傳遞信息，控制視覺、呼吸功能等。小腦位于大腦底部，控制運動功能。底部往上是間腦，由丘腦與下丘腦組成，是感官信息傳輸到新皮質的中繼站，也參與機體的調節與反饋。離大腦底部最遠的是兩個腦半球由新皮質、基底神經節、杏仁核以及海馬體組成。基底神經節影響選擇與運動，杏仁核進行情緒的調節、海馬體則是記憶、學習、認知的關鍵。外周神經系統由連接骨骼肌與感官神經的軀體神經系統與控制心臟、呼吸等內臟功能的自主神經系統構成。
2.8小結
2.9問題與習題
1.什么是皮質神經元的典型跨膜靜息電位差？ 請解釋神經元保持這一電位差的生化機理。
靜息電位是神經元細胞內外由于離子濃度不同產生的電位差，由細胞消耗能量維持（鈉鉀泵消耗能量將K+移動到細胞內Na+移動到細胞外）
2.描述引起動作電位的過程。從動作電位沿著輸人的軸突傳到神經元開始， 說明產生輸出動作電位的生化過程和電過程。
神經元接收信號后，Na+迅速進入細胞內，膜電位上升，隨后K+流出細胞，膜電位下降，形成動作電位。
3.大腦中能觀察到的四種主要的突觸可塑性是什么？ 解釋它們如何調控突觸前鋒電位 對突觸后神經元的影響。
LTP（長時間增強）通過神經元間放電加強連接強度；LTP（長時間抑制）通過不放電活動減弱連接強度；STDP（時序鋒電位可塑性）通過突觸前后鋒電位出現的提前與滯后調節連接強度；STP/STD（短時間抑制/短時間增強）通過各個鋒電位影響的遞減或遞增影響連接強度。
4.CNS 和 PNS 的主要組成部分是什么？
CNS（中樞神經系統）由大腦與脊髓組成，其中大腦分為腦干、小腦、間腦與腦半球；PNS（外周神經系統）由軀體神經系統與自主神經系統組成。
5.描述腦干和小腦的功能。
腦干由髓質、中腦與腦橋組成，其向身體的各個部位傳遞接受信息、控制機體的呼吸，中腦控制視覺聽覺功能。小腦則控制機體的運動功能。
6.間腦的主要組成部分及功能是什么？
間腦由丘腦與下丘腦組成，丘腦是感官傳達信息到新皮質的中轉站，并與皮質構成主動反饋環節。而下丘腦主要調節機體的進食等基本需求。
7.基底神經節和海馬體實現了哪些功能？
基底神經節在運動控制與行為選擇上起到重要作用，海馬體則負責記憶、學習與空間認知功能。
8.新皮質大約含有多少腦細胞？ 平均一個神經元與其他神經元間有多少突觸？
新皮質的腦細胞共分為六層，約有300億個，每個神經元間約有1萬個突觸。
9.新皮質的主要分區及各分區的功能是什么？
在新皮質的功能特化中，后側枕葉區負責視覺信息處理，頂部頂葉區負責空間推理與運動信息處理，兩側顳葉區負責視覺與聽覺識別，額葉區與計劃和更高級的認知能力有關。
10.皮質是分層組織的嗎？ 討論支持與反對這一假說的證據。
對于感覺皮層和運動皮層基于目前的研究存在如下分層：
第一層是分子層，包含少量的神經元胞體和胞體位于其它層的錐體細胞的頂端樹突簇，以及一些水平朝向的軸突，還有一些膠質細胞。
第二層是外部顆粒層，包含小錐體神經元和眾多的星形神經元。
第三層是外部錐體細胞層，主要是中小型的錐體神經元，以及非錐體神經元的垂直朝向的皮層內軸突。第一層至第三層主要接收大腦半球之間的皮層內信息輸入，第三層也是主要的皮層輸出層。
第四層是內部顆粒層，包含不同類型的星形神經元和錐體神經元，是丘腦到皮層的主要輸入層。因此初級感覺皮層的第四層特別厚，而初級運動皮層只接收少量的輸入信息，需要輸出大量的信息來指揮肢體的運動，因此初級運動皮層的第四層特別薄。
第五層是內部錐體細胞層，包含大型的錐體神經元，其軸突會離開皮層到達亞皮層結構，比如基底核。
第六層是多形態層，包含少量的大型錐體神經元，一些小的紡錘形錐體神經元和多形態神經元。第六層將信息傳入到丘腦，建立皮層和丘腦之間非常精確的雙向連接。
而對于高級的認知皮層的分層結構與功能還存在較多空白。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的《脑机接口导论》学习笔记 2.神经科学基础的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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