解構神經元

作者：由許鐵-巡洋艦科技發表于攝影時間：2016-07-23

作者：許鐵

物理學家最基本的思維方式是分解和還原。就如同費曼當年所說，如果世界毀滅，我們要留一句話給未來的文明，那就是-世界是由原子組成。基本粒子-已經成為我們理解世界的最基本思想。

那麼當我們想要觸及那個終極的秘密-我們是如何思考的，我們也一定要問什麼是認知的基本單元。生物學家給出的答案是-神經元（Neuron）。認知的基本單元，我們叫做神經元，意及組成神經系統的細胞。

我們還由我們熟悉的電腦做比喻，看細胞如何能夠成為認知的基本單元。電腦是簡化了的對人腦的模擬。一臺電腦，早已被偉大的人工智慧之父阿蘭圖靈的概念模型圖靈機解釋明白了。電腦就是能夠輸入資訊，處理資訊和輸出資訊的機器。它能夠根據內部的狀態來處理輸入訊號，給出適當輸出並且儲存資訊。

計算機的基本單元是什麼？電晶體。它可以把電壓這個模擬訊號轉化為0，1的數字訊號。粗略的看，神經元其實就是一個電晶體。他接受訊號並轉化為電壓，當電壓高過一定閾值，他就會發放訊號告訴其它神經元我接受到了超過閾值的電訊號。

既然電晶體能作為計算機的基本單元，那麼神經元也可以作為大腦認知的基本單元，平淡的概念，無奇的討論。可是這樣我們很快就會問，這樣我們的大腦還和電腦有什麼區別？

這一點我在《你為什麼需要計算神經科學》一文中論述過了，電腦是人類設計的產物，有一張在出生之前就寫好的藍圖，它的功能，它的命運就想一臺精密的鐘表，在出生前就給定，上上發條就開始轉。而人腦呢，它是幾十億年生物衍化自生的產物，憑藉一位出色的立法者制定的自然法則，透過一群細胞的自組織，就產生了出來。

那麼再次審視之前那個問題，我們發現，原來神經元遠不是一個電晶體能夠取代的，它比電晶體強悍太多。其實一個神經元本身，更像一個微電腦。

首先，神經元的基本結構是樹突，胞體和軸突（如上圖）。

這樣一個結構，就像因特網上的一臺電腦，它有一部接受器-樹突，接受其它電腦發來的脈衝，一部發射器，軸突，放出自身的訊號。

只不過樹突和軸突是有形的生物組織，他們象樹枝，根鬚一般延伸出去，

不停的探知外界的情況並調整自己。

而電腦在網路中的連線就沒那麼主動了。神經元的胞體，更像一個微處理器，透過它那複雜的化學反應履帶，對訊號給出適當的處理。

既然神經元是一臺微電腦，那麼它就有更基本的資訊傳輸單位，它就是是離子通道。

離子是神經訊號的物質載體，而離子通道就是控制細胞內外資訊交換的門，因此，離子通道是神經元的輸入和輸出端子，有了他們神經元才能夠感知外界的變化，然後發出訊號，和其他神經元對話。因此離子通道就是神經元的資訊門，神經元的電晶體。

說它是電晶體，因為它實現一種形式的模數轉化，神經元上遍佈著離子通道，離子通道的本質是感測器，目前已知的離子通道就多達數十種，每種離子通道可以感受不同的訊號，有的對通道前後的電位差敏感，有的對光子敏感，有的對某種離子敏感，有的對特定化學物質敏感。但總之都是把各種紛繁的模擬訊號轉化為開門和關門的數字訊號。當一扇門開啟，資訊的載體-離子就得以自由進出細胞，從而引起細胞內環境的變化，而細胞內環境的變化反過來引起離子通道的開啟或者關閉，這樣的機制，使得一個細胞成為一個小小的圖靈機，接受和處理訊號改變細胞自身的狀態，而狀態改變又導致接受和處理訊號方式的改變，反饋迴圈週而復始。

細胞的資訊傳輸單位-離子通道。

樹突離子通道對一種特定的有機分子-神經遞質敏感，神經遞質是一種細胞分泌的化學物質，是細胞間通訊的信使，當樹突離子通道碰到其他神經元釋放的神經遞質，它就自己開啟，讓某種離子透過。

軸突和胞體上的離子通道往往對通道前後的電位差敏感，當細胞膜內外的電位差超過一定閾值，它就開啟，低於這個閾值，就處於關閉狀態，就好比電晶體的0和1態。

離子通道的開啟可以有力的調控細胞內的電壓，而細胞內電壓則是整個細胞通訊的基礎。

神經元的資訊載體，被稱為“spike” -脈衝。脈衝的產生是一個細胞內電壓急速上升然後回落的過程，這是一個典型的由離子通道調控的正反饋過程。離子通道開啟，引起細胞內電壓上升，而細胞內電壓的上升導致更多離子通道開啟。

這樣一個迴圈就是神經元的脈衝。對於這一過程的描述有一個極為偉大的生物物理方程組Hudgkin Huxley equation精確表述

，其地位無異於麥克斯韋方程之於電磁學。將在後續篇幅詳述。

神經元的脈衝訊號“spike”

上圖展示了神經元是如何透過離子通道對話的。圖中上半部的排骨棒棒就是軸突，它是神經元的輸出端子，軸突末端安插的那些通道就是感受電壓的離子通道，當神經元脈衝（spike）到來的時候它開啟讓鈣離子透過，而鈣離子將導致軸突裡儲存的神經遞質釋放，它們將作為該神經元的信使，降到下面一個細胞的樹突（圖中下方的平面）前端，告訴下一個細胞，上面的細胞已經high了。而下一個神經元，正是透過覆蓋其上的該種化學遞質的感測器來接受這個訊號，當遞質到達，門開啟，鈉離子進入膜內，引起下一個細胞的興奮。這些過程都非常迅速，在毫秒量級。

離子通道是神經元的電晶體，對它們的理解也打開了人類反向控制神經元的大門。透過精確的調控離子通道，我們可以控制神經元的訊號發放給大腦進行“程式設計”。人類已經透過加入一組對光敏感的離子通道成功的控制了小鼠大腦的神經元，這種技術被稱為光遺傳（Optogenetic）。

這是科學史最有趣的故事之一。在遙遠的海洋裡，一種藻類生物能夠產生一種對光線非常敏感的蛋白質，這種蛋白恰好可以作為神經元的離子通道。於是科學家就把這種蛋白質對應的基因找出來，放入小鼠的細胞核內，使得它們在神經元的發育過程中表達這種光敏基因，這樣我們就得到了一組對光線敏感的離子通道。而人類就可以透過光線控制這組離子通道，從而控制神經元的放電。如此，遠古海洋的藻類，不，應該是科學家，就打開了我們認知大腦的革命性方法。