計算神經科學是使用數學分析和計算機模擬的方法在不同水平上對神經系統進行模擬和研究： 從神經元的真實生物物理模型，它們的動態互動關係以及神經網路的學習， 到腦的組織和神經類型計算的量化理論等，從計算角度理解腦，研究非程式的、 適應性的、大腦風格的信息處理的本質和能力，探索新型的信息處理機理和途徑， 從而創造腦。它的發展將對智慧型科學、信息科學、認知科學、神經科學等產生重要影響。
基本介紹
- 中文名：計算神經科學
- 外文名：Computational neuroscience
- 研究內容：探討認知歷程的生物學基礎
- 主要目標：闡明心理歷程的神經機制
科學簡介,歷史起源,顱相學,總體論,區位化論,興起,腦功能定位,神經教條,認知科學誕生,認知神經科學,主題,
科學簡介
對腦和神經系統的研究源遠流長。至18世紀末，人們認識到腦分為不同的部位，行使不同的功能。 1891年Cajal創立神經元學說，認為整個神經系統是由結構上相對獨立的神經細胞構成。 在Cajal神經元學說的基礎上，1906年Sherrington提出了神經元間突觸的概念。 20世紀20年代Adrian提出神經動作電位。1943年McCulloch 和 Pitts提出了的 M-P 神經網路模型。 1949年Hebb提出了神經網路學習的規則。50年代Rosenblatt 提出了的感知機 (Perception) 模型。 八十年代以來, 神經計算研究取得了進展。Hopfield引入Lyapunov函式(叫做"計算能量函式")給出了網路穩定判據, 它與VLSI有直接對應關係, 為神經計算機的研製奠定了基礎。同時它還可用於聯想記憶和最佳化計算, 開拓了神經網路用於計算機的新途徑。甘利俊一(Amari)在神經網路的數學基礎理論方面做了大量的研究， 包括統計神經動力學、神經場的動力學理論、聯想記憶，特別在信息幾何方面作出了一些奠基性的工作。 計算神經科學的研究力圖體現人腦的如下基本特徵:① 大腦皮層是一個廣泛連線的巨型複雜系統； ② 人腦的計算是建立在大規模並行模擬處理的基礎之上； ③ 人腦具有很強的"客錯性"和聯想能力, 善於概括、類比、推廣； ④ 大腦功能受先天因素的制約, 但後天因素, 如經歷、學習與訓練等起著重要作用， 這表明人腦是有很強的自組織性與自適應性。 人類的很多智力活動並不是按邏輯推理方式進行的, 而是由訓練形成的。
目前，對人腦是如何工作的了解仍然很膚淺，計算神經科學的研究還很不充分， 我們面臨的是一充滿未知的新領域，必須在基本原理和計算理論方面進行更深刻的探索。 通過對人腦神經系統的結構、信息加工、記憶和學習機制的分析研究，從人腦工作的機理上進行仿真， 提出智慧型科學的新思想、新方法。
計算神經科學的科學問題如下：
- 神經活動的基本過程：研究神經元離子通道及其調控、突觸傳遞及其調控、神經元受體及信號轉導、神經活動的同步機理。
- 單個神經元的計算模型：單個神經元是構成神經網路的基本單元，它由神經細胞體、樹突和軸突構成，神經元之間通過突觸連線
- 學習和記憶的神經機制：神經系統因活動和環境等因素的作用而在結構和功能上發生改變，這種改變是學習和記憶等高級腦功能的基礎。研究產生這種可塑性、特別是神經突觸的可塑性的機制以及學習規則。研究神經元迴路信息編碼及加工機理。
- 神經元和神經系統發育的分子機制：神經細胞在腦發育時由神經幹細胞分化而來，以後經過遷移、長出突起、通過形成突觸互相連線等過程逐步形成複雜精密的腦。研究調節神經幹細胞分化、維持神經細胞存活、調節神經細胞遷移、突起生長和突觸形成的神經營養因子，研究它們的作用和作用機理。
- 神經遞質：研究神經遞質的構成，神經遞質的合成、維持、釋放及與受體的相互作用。
歷史起源
認知神經科學的觀點認為特定腦部區位負責特定的認知功能。這樣的看法源自於許多不同的理論，如顱相學（Phrenology）。雖然顱相學最後因為缺乏科學根據而被摒棄，但特定腦區控制特定認知功能的觀點仍被採納。而現今，在揚棄了觀察頭殼外觀這樣不科學的方式之後，取而代之的是對於頭皮的電生理測量，或是更多對腦部本身的觀測。
顱相學
認知神經科學的起源和顱相學（Phrenology）有很大的關係。顱相學實質上是一個偽科學，並聲稱頭皮的形狀會影響行為的表現。在19世紀早期，高爾（Franz Joseph Gall） 和史普漢(J. G. Spurzheim)相信人大腦可以被分為35個不同的區域。在高爾在他的書《神經系統的解剖生理學概論和腦部深論》聲稱頭殼上較大的凸起代表著這塊區域被較頻繁的使用。顱相學廣被大眾所注意，並且發行了以顱相學為主題的期刊。甚至發明了顱相測定儀以測定頭顱上的凸起。
總體論
法國的實驗心理學家佛羅倫斯（Pierre Flourens）如眾多的科學家一樣質疑顱相學的觀點。雖然他的實驗對象為兔子和鴿子，但他發現特定部位的腦傷並不會造成行為上的改變。由此他認為行為表現是由不同腦區共同參與，也就是總體論的觀點。
區位化論
歐洲一些科學家如傑克森（John Hughlings Jackson）所進行的一些研究讓區位化論重新成為主流的觀點。傑克森的研究特別在於有癲癇症狀的腦傷病人，他發現病人在癲癇發作的時候，時常會造成相同的陣攣和肌肉緊張的情況。因此他認為每次的發作一定都是發生在相同的腦區，並且提出特定腦區負責特定功能的看法。在後續對於腦葉的研究中，區位化觀點有很大的影響和幫助。
興起
法國的神經科學家布洛卡（Paul Broca）在1861年報告了一位病人的症狀。這位病人可以聽的懂語言，但是無法說，並且只能發出“談”（tan）的音。這位病人之後被發現他左腦的額葉有腦傷，而這塊腦傷的區域現今則被稱作布洛卡氏區。另外一位神經科學家卡爾·威尼基（Carl Wernicke）則發現一位中風病人無法聽取語言訊息和閱讀文字，但可以流利的說話（雖然說的是沒有意義的語句）。這位病人則是有一個在左腦頂葉和顳葉交界處的腦傷。而這塊區域現今被稱作威尼基區。這兩個病例是支持區位化論的重要證據，因為特定區域的腦傷造成了特定的行為改變。布洛卡和威尼基的研究促成了神經心理學的誕生，而這個新領域研究的是心理現象和腦傷之間的關係。
腦功能定位
在1870年，德兩位國醫師希茲格（Eduard Hitzig）和費理屈（Gustav Fritsch）發表了他們在動物實驗的發現。他們在狗的不同的大腦皮質部位通上電流，可以造成不同相應的動作。由此他們認為行為的表現是源自於腦細胞的層次的運作。德國的神經解剖學家科比尼安·布洛德曼（Korbinian Brodmann）使用尼斯（Franz Nissl）發明的組織染色技術觀察腦部的細胞種類。於1909時，他發表了他的結論：腦部是由52個不同的部份所組成。這些分區現在稱為布洛德曼分區。現在看來，有些分區劃定的非常精確，如布洛德曼17區和布洛德曼18區。
神經教條
在20世紀早期，聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾（Santiago Ramon y Cajal）和卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）開始研究神經細胞的結構。高基發展出銀染色法（Silver stain），可以將特定區域的細胞一同染色。使用這樣的技術觀察神經細胞，讓高爾基認為細胞之間，在共同的細胞質內有直接的連線。卡哈爾則反對這樣的觀點。他在腦部含有較少髓鞘的部位做染色，發現神經細胞並不是緊密相連，而是分離的。他進一步發現神經細胞會單方向的傳遞電訊號。這些發現稱為神經教條，並對之後了解神經細胞的功能提供了基礎的理論。也因次這個貢獻，高基和卡哈都獲得了1906年的諾貝爾生理學或醫學獎獎。
認知科學誕生
1956年9月11日，認知科學大會在麻省理工學院舉行。在大會上喬治·A·米勒（George A. Miller）發表了他著名的研究《神奇的數字 7 +/- 2》。艾弗拉姆·諾姆·喬姆斯基（Noam Chomsky）和艾倫·紐厄爾Newell和赫伯特·亞歷山大·西蒙（Simon）發表了他們在電腦科學上的成果。耐瑟（Ulric Neisser）在他1967年的書“認知心理學”中評論了許多在這次會議中所發表的成果。“心理學”這個名詞在1950到1960年代逐漸式微，取代的是認知科學的開始。行為主義的科學家如喬治·A·米勒開始重視語言的內在表征（representation），而不只有外在的行為表現。大衛·馬爾（David Marr）提出記憶的階層性表征，也讓許多心理學家接納了心理功能是需要由腦中特別的演算法處理。
認知神經科學
在1980年代之前，神經科學和認知心理學這兩個領域之間幾乎沒有互動。.在1970年代晚期，“認知神經科學”這個名詞在一輛計程車的后座誕生，由喬治·A·米勒和麥可·葛詹尼加（Michael Gazzaniga）共同創立。認知神經科學開始用實驗心理學、神經心理學和神經科學的研究方法來為認知科學奠定基礎。在20世紀晚期，新的科學技術成為認知神經科學重要的研究方法。這些技術般含了穿顱磁刺激（TMS）、功能性磁振造影（fMRI）、腦電圖（EEG）和腦磁圖（MEG）。有時也會使用到其他的腦造影技術，如正子斷層掃瞄造影（PET）和單光子電腦斷層掃描（SPECT）。在動物上使用的單細胞電位記錄（Single-unit recording）也是重要的技術。另外其他的技術還包含微神經圖（microneurography）、臉部的肌電圖（EMG）和眼球追蹤儀（eye tracking）。整合神經科學（Integrative neuroscience）試著將不同領域和不同尺度（如生物學、心理學、解剖學和臨床經驗）所得到的研究成果，整合成一個統合的描述性模型。
