一般集成论(中英双语)(精)

作者简介

"作者简介 唐孝威，中国科学院院士，浙江大学物理学院教授。主要从事原子核物理、高能实验物理、生物物理学、医学物理学、核医学、脑科学等方面研究。 王大辉，北京师范大学系统科学教授，博士生导师。从事复杂系统基础理论及其应用研究，以神经环路为基础建立计算模型揭示神经系统动力学行为的机制，展示神经系统达成特定功能的机理。 王小潞，浙江大学外国语学院教授，浙大城市学院外国语学院特聘教授，博士生导师。长期从事认知语言学、心理语言学、神经语言学等领域的教学与研究。 "

内容简介

"第一章 集成的脑 我们首先来考察自然界最复杂的系统——人脑。 脑具有层次性结构：从生物大分子、基因、亚细胞结构、神经细胞（神经元与神经胶质细胞）、神经元簇、神经回路到功能专一性脑区、脑功能系统和脑的整体。脑内这些不同层次的结构和它们的功能是脑整体活动的基础。对于脑这个复杂系统，需要从各个层次来研究其结构、功能和工作原理。 脑的复杂性不仅表现在脑的层次的复杂性、脑的结构的复杂性、脑的功能的复杂性、脑内网络的复杂性、脑内通信的复杂性、脑和环境相互作用的复杂性，而且表现在丰富多彩的脑的高级功能——心智现象的复杂性以及人的行为的复杂性。 这一章讨论集成的脑，从脑的结构和功能、脑内复杂的网络和脑内通信、脑的活动和能量消耗等方面介绍脑的一些实验事实，说明脑是集成的统一体。 1.1 脑的结构和功能 脑的层次可以大致划分为微观、介观和宏观三个不同的水平。从小的方面到大的方面来看，微观水平包括分子、亚细胞结构和神经细胞；介观水平包括神经元簇和神经回路；宏观水平包括功能专一性脑区、脑功能系统和脑的整体。这里所说的微观和物理学中微观的含义不同，是指分子和细胞。 脑内这些不同水平的神经结构具有不同的空间尺度。脑的微观水平、介观水平和宏观水平神经结构的空间尺度相差很大。例如，神经细胞的细胞体的数量级大致是10-6米，功能专一性脑区的数量级大致是10-2米。脑内这些不同水平的神经结构的活动过程具有不同的时间尺度。脑的微观水平、介观水平和宏观水平的神经活动过程的时间尺度相差很大，例如神经元电脉冲的数量级大致是10-3秒，脑功能系统活动的数量级大致是10-1 秒。 我们在实验中可以用多种技术研究脑的这些不同水平的结构和功能。例如，分子神经生物学技术、神经遗传学技术、神经解剖学技术、神经电生理技术、显微成像技术、脑结构成像技术、脑功能成像技术等。 脑功能成像技术用于脑的宏观水平的功能研究，能够对脑的功能活动进行无创伤的、动态的成像，如功能磁共振成像（fMRI，functional Magnetic Resonance Imaging）、单光子发射计算机断层成像（SPECT，Single Photon Emission Computerized Tomography）、正电子发射计算机断层成像（PET，Positron Emission Computerized Tomography）、脑电成像（EEG， Electroencephalography）、事件相关电位（ERP，Event-related Potentials）、脑磁成像（MEG，Magnetoencephalography）等。 神经科学家对脑的结构和功能进行了广泛的实验研究，不断取得新的进展，因此目前对脑有了相当多的了解（Purves et al.，1997；Gazzaniga et al.，1998；Kandel et al.，2000；陈宜张，2008）。但是由于脑非常复杂，至今仍有许多问题有待了解。 从微观水平来看，人脑大约有1011个具有多自由度的神经元和数量更多的神经胶质细胞，神经元之间形成约1014—1015个突触联结。神经元有细胞核、细胞质、细胞膜和细胞骨架。神经元的细胞膜是镶嵌蛋白质的脂双层，膜上有许多由大分子蛋白质构成的复合体，如受体及离子通道。离子通道是细胞内外离子穿越细胞膜的通道。 神经元内部含有各种神经递质和神经调质。神经递质是在神经信号传递中起作用的化学物质，它们的种类很多，如乙酰胆碱、L-谷氨酸等。神经调质是调制神经细胞生化反应的化学物质，它们的种类也很多，如多巴胺、去甲肾上腺素等。 神经元具有多种多样的形态。它们有细胞体和许多分支结构：有大量的小分支即树突，神经元通过树突接收神经信号；通常有一根细长的纤维即轴突，神经元通过轴突传出神经信号。轴突具有传导神经信号的功能，树突在神经信息处理中也有重要作用。张香桐（1997）很早就研究过树突的生理功能。 突触是一个神经元和另一个神经元相互作用的部位。神经元通过大量的突触和其他神经元相互作用，一个神经元平均形成103—104个突触联结，因此神经元之间构成非常复杂的神经网络。突触部位具有动态性和可塑性，在神经信息处理中起重要的作用。 脑内神经胶质细胞的数量大约是神经元数量的10倍，它们不仅对神经元起支持和营养作用，而且对神经元的活动起调节作用，影响神经元的功能。此外，神经胶质细胞释放的分子调节脑血管的收缩与舒张，使局部脑血流量的供应与神经活动的水平相适应（陈宜张，2008）。 脑的介观水平的神经结构和功能介于微观水平和宏观水平之间，是由微观水平过渡到宏观水平的桥梁。一些神经元和神经胶质细胞连接成介观的神经回路。神经回路的研究是当前神经科学研究的热点之一。实验上对神经回路的分子和细胞机制以及神经回路的功能和可塑性进行了大量研究，理论上也有许多神经回路的模型。有研究者专门对脑的介观水平的神经动力学进行了研究（弗利曼，2004；Liljenstr?m & ?rhem，2008）。 从宏观水平来看，脑位于颅腔内，受到脑膜的保护，脑内有血管分布和血液循环，为脑正常的生理活动提供养料、清除废料。脑具有复杂的结构，由大脑、间脑、中脑、小脑、脑桥、延髓等部分组成；中脑、脑桥和延髓合称为脑干。脑和脊髓是神经系统的中枢部分，它们和周边神经构成了身体内完整的神经系统。 大脑有左、右两个半球，它们之间有纤维连接。大脑表面凹凸不平，有许多皱褶。主要的沟回把大脑分为额叶、顶叶、枕叶、颞叶以及脑岛。大脑由灰质和白质组成。大脑皮质是神经细胞集中处，形成了灰质；大脑皮质下方是由神经纤维束组成的白质。脑细胞活动所需的氧和葡萄糖由脑内血管通过血流供应。 大脑皮质包括许多具有不同功能的专一性脑区，如视觉皮质区、听觉皮质区、躯体感觉皮质区、运动皮质区、语言皮质区等。这些功能专一性脑区组成脑的功能系统，如接受、加工和储存信息的脑功能系统等；脑功能系统再组成整体的脑。 在脑功能系统方面，我们曾根据实验事实提出了脑的四个功能系统学说。《脑的四个功能系统学说》（唐孝威，黄秉宪，2003）一文介绍了鲁利亚（Luria）（1973）的脑的三个功能系统学说，并且阐述了在鲁利亚学说基础上发展的脑的四个功能系统学说。 " 本书是由浙江大学唐孝威院士倾力打造的跨学科学术专著，这位曾在我国核科学领域立下卓越功勋的科学家，以跨学科的视野深耕生命科学的复杂系统——大脑的研究，通过融合物理学、生物学、医学、心理学等多个学科前沿成果，以独特的视角深度剖析自然界的奇迹——大脑。