讀懂你的大腦——漫話神經元

第一部分 一切從「心」開始

對著電腦工作時間一長，雙眼自然就要發動罷工。此時溫一杯熱咖啡，夾兩塊曲奇餅，再遠眺窗外的盎然綠意，罷工便漸漸被鎮壓下去了。饒是如此，心裡還是會有隱隱倦意淡出——若能在享受下午茶之餘，賞賞文學名著，換換思路，或許能把心中的倦意也一併消退了。

小編髮現，無論古今文學名著，「心」這個字都佔據著核心地位。從「心有靈犀一點通」、「青青子衿，悠悠我心」等古詩文到當代風格迥異的抒情散文，莫不和心情有關。拋開抒情不談，站在現代科學的角度，也有心理學這一研究「心靈」的嚴謹學科。心理學中形形色色的理論，往往發人深思，令人著迷；而各領風騷的心理學大師們，又令人嚮往。

催眠（Hypnosis）是一個應用廣泛的心理學分支。圖片來自網路

事實上隨著神經科學（Neuroscience）的不斷發展，人們逐漸意識到，「心理」或「靈魂」的根本，應該來自於大腦，或者神經系統。從這個角度看來把「psychology」翻譯為「腦理學」也許更符合實際，不過考慮到「心」在傳統文化中根深蒂固的地位，「心理學」這個翻譯也是合情合理的。

不光是人類，所有智慧生物的神經系統都十分複雜，所以神經科學中的未解之謎實在是數不勝數。正是因為這個原因，神經科學在心理學中的地位一直存在爭議。下面兩幅圖從分子層面到器官層面描述了人類自主神經系統的大概結構：

可以看出，每個不同層面都相當複雜，都有大量的問題值得研究！更何況這只是相對簡單的自主神經系統（ANS，主要由脊髓控制，調控心率、呼吸、肌肉反射等），而中樞神經系統（CNS，由大腦和脊髓同時控制）則更為複雜[1]。

不過小編一向認為，在複雜的事物都是有根可循的。儘管神經系統如同參天大樹枝繁葉茂，直接修剪枝條難以下手；此時若從大樹的根部著手，或許能斬獲奇效。而神經系統的「根」，就在於神經元（Neuron）。

第二部分 神經元——蓬頭垢面似無傍，合縱連橫坐八方

論長相，神經元可以算是細胞界中的奇葩：

正是：

左凝右視根枝盪，頭盛尾繁敝帚方。

腰肢纖纖腹難果，偷得夢裡掛臘腸。

香腸（軸突）掛在兩個掃帚頭（由樹突和突觸構成）上，這神經元長得實在有些標新立異。事實上這奇葩長相的背後洋溢著生命的智慧——神經元兩頭的樹突（Dendrite）之所以枝繁葉茂，是因為每個神經元都要與大量的同類進行交流。神經系統中沒有微信朋友圈的功能，只能通過這種方式來發展「神」際關係。軸突（Axon）因為要負責神經元內部的信號傳遞，就像古代斥候通風報信一樣，信號傳遞的戰線必須拉的很長；為了節省材料和空間，戰線又必須很細。又細又長的戰線就很容易被敵軍切斷，必須得有保護措施，而香腸狀的髓鞘（Myelin sheath）則正是起到了保護戰線的作用。

有的讀者可能會問：「大腦（或者吃火鍋用的豬腦花）裡面沒發現有那麼多細長的軸突呀，難道大腦不是由神經元構成的么？」事實上正如筆者在之前的文章《阿爾法狗vs愛因斯坦》中提到過，除了神經元，神經膠質細胞（Ganglia）則是構成神經系統的另一種「根」，其數量甚至比神經元更為龐大。我們來回顧一下神經元和神經膠質細胞的大致差異：

從外形上我們可以判斷出，因為缺少「戰線」，膠質細胞是不能傳遞信號的。不過因為兩軍交戰後戰場上很混亂，總得有人來清理戰場，而膠質細胞正是混亂戰場的清道夫——支撐大腦結構、為神經元輸送營養、清理受傷神經元和隔離不同神經元[3]。構成髓鞘的施旺細胞就是膠質細胞的一種。膠質細胞還把不同軸突粘在了一塊，所以正是膠質細胞給予了腦花以豆腐般的柔嫩口感，否則腦花一旦下鍋，全散做蓮藕絲了。

值得一提的是，成熟的神經元因其高度分化性，曾被傳統觀點認為是不能自我複製或修復的。但02年的研究[4]表明，成熟組織中的祖細胞(progenitor cell)可以分化為神經細胞和神經膠質細胞，並且和只在胚胎時期起作用的神經幹細胞不同，祖細胞的分化是會與我們白頭偕老的[5]。這意味著，理論上說神經系統的萎縮（老年痴呆症、帕金森綜合症等）是可以治療的，只是目前尚未找到行之有效的手段。

嗅覺神經系統中的祖細胞（綠色部分）

第三部分 神經脈衝——神經元之間的觥籌交錯

知道了神經元為什麼會長得那副尊榮，我們自然會關心下一個問題——神經元之間到底是怎樣進行交流的呢？

中學生物告訴我們，神經信號分為電信號和化學信號，兩者各有所長。以教書為比方，電信號就像是家教，特點是快狠准，因材施教所以效率很高，例如肌肉的收縮就是有電信號主導；化學信號則更像大班授課，影響範圍廣，作用力持久，但是每個「聽眾」理解力不同，而且需要花時間課後消化，所以化學信號準確度不及電信號，且反應時間較長。正是兩種信號的相輔相成，編碼了我們的一顰一笑，喜怒哀樂。

電信號又稱為神經脈衝，因限於篇幅，小編接下來僅介紹神經脈衝。我們知道軸突是又長又細的，但中學物理告訴我們，電線如果又長又細，電阻就會很大。如果像電線那樣傳遞脈衝，怕是一個脈衝還沒跋涉完成，軸突就因電阻過大而被脈衝的熱情（產生的電熱）給燒毀了。很顯然，神經元需要想辦法讓脈衝「冷靜」地走完全程。

和電腦不同，神經脈衝不會產生多餘的熱量

神經元是怎樣解決這一難題的呢？答案只有一句話：依靠神經元內外電勢差。具體過程用一張動圖即可概括：

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神經脈衝的產生，靠的是細胞膜內外離子（鉀和鈉）的交替性出入

在正常情況下，神經元內部的陽離子由鉀離子佔據主導地位，而外部則是鈉離子的天下。鉀離子和鈉離子的內外不均，給予了神經元細胞膜一個-70毫伏的電勢差。我們知道，細胞膜是由磷脂雙分子層構成的選擇性透過膜，所以只允許脂溶性的物質自由穿越（水分子是個例外，因為它太小了，可以通過滲透的方式穿過細胞膜）。鉀和鈉這種塊頭大的物質只能通過離子通道（Ion channel）出入細胞膜。

離子通道的構造非常巧妙，正常情況下愁眉緊鎖，只有當收到刺激後的時候才會敞開心胸；而且不同的離子通道只會對特定的離子開懷送抱，所以離子們不得不保持忠貞[6]。當受到刺激後，神經元細胞膜的內外電勢差發生了變化，從而一個脈衝開始了全新的征途。

如果讀者們覺得上面的動圖轉瞬即逝，那麼下面的慢圖則能更好地表明鈉離子和鉀離子是如何產生脈衝的。

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跟著我左～手右手一個慢動作

第四部分 計算神經科學——學科交叉的巔峰

英國生理學家Hodgkin和Huxley在1952年研究魷魚的大軸突（Giant axon of squid）後，提出了以他們名字命名的數學模型——Hodgkin-Huxley模型（以下簡稱HH模型）用以描述神經脈衝的產生和傳導，並因此獲得了1963年的諾貝爾醫學或生理學獎。由此，計算神經科學（Computational Neuroscience）這個新興學科走上歷史舞台，神經科學正式進入量化分析的時代。

一個數學模型也能獲得諾貝爾生理學獎？聽起來有些不可思議。事實上HH模型的偉大之處，正是在於把一個同物理學（電勢差變化和脈衝的產生）、化學（離子通道的閉合）和生物學都有關的複雜生命現象，精確而簡練地用一個數學方程組概括了起來：

這個方程組囊括了脈衝產生的全過程

以上的HH模型成為了不同背景科研工作者的共同玩具。讀者現在的一舉一動，都掌握在這個方程中。

方程畢竟只是數學式而已，怎麼知道這個方程是否正確？。我們可以用一段代碼（小編用的是python，可參考[7]。事實上更專業的數學軟體叫做XPP，速度比python快了許多，但用戶界面的顏值稍微低了些）來模擬這個方程的解：

紅色曲線表示神經元受到刺激，藍色曲線表示正常狀態。電流單位是毫安

紅色曲線是不是和我們平常看到的神經脈衝很相似？

如果我們再加上一個更加複雜的周期性刺激，那麼就能觀察到更符合實際的腦電圖了：

[7]中有外加電流的更詳細註解

此刻讀者們應該感受到HH模型的強大功力了吧？

事實上要想產生神經脈衝，還用不到Hodgkin-Huxley這麼幾個精確的方程組。例如FitzHugh–Nagumo模型[8]（HH模型的簡化版）和integrate-and-fire模型[9]（最早的神經脈衝模型，非常粗略）等。但之所以HH模型能獲得諾貝爾獎，還在於這個模型對離子通道閉合過程對精確刻畫。著名的動電位理論（Action Potential Theory）正是通過HH模型描述出來的。

第四部分 總結

小編在《世界是不是確定的？》一文中提到了非線性系統在自然科學中的普遍存在性。我們再來回顧一下：

以上內容小編會在今後繼續介紹

從數學角度看來，HH模型只是千千萬萬非線性方程的一種，它產生的解是周期解（神經脈衝具有周期性）。從小編的另一篇文章《一文帶你走入全球頂尖應用數學家的世界！》中可以看到，歸根結底，動物身上斑紋的形成也是由於方程的非線形性。

儘管HH模型內涵極為豐富，然而這也只能模擬單個神經元的脈衝產生，算是最簡單的模型了。神經科學有無窮無盡的難題需要解決，例如：

大腦就算要處理最簡單的任務，也要靠大量神經元協同完成。不同神經元之間是如何交流的？

神經元的「朋友圈」是如何建立起來的？怎麼發展不同神經元間的「神脈」關係？

電信號和化學信號之間是如何相互影響的？

針灸為什麼可以止痛？

意識是什麼？

每個問題都非常複雜，不是光靠生物學這一個學科孤軍奮戰就能解決的。這些難題的解決，必然需要綜合其他學科的思想，去粗取精取長補短。學科分支的細化和不同學科的相互交叉，乍看很矛盾，實際上則是科學界的大勢所趨。讓我們拭目以待，看看不同學科的相互交融，能給我們的生活帶來怎樣的變化。

未來的科學界——學科分支細化與學科交叉的協奏曲

參考文獻：

[1] L. Kelly,Essentials of Human Physiology fo Pharmacy, CRC Press.

[2]https://www.scientificamerican.com/article/the-root-of-thought-what/.

[3] H. Nakatomi et. al,Regeneration of Hippocampal Pyramidal Neurons after Ischemic Brain Injury by Recruitment of Endogenous Neural Progenitors.

[4] R.M. Seaberg et. al,Stem and progenitor cells: the premature desertion of rigorous definitions.

[5] B. Hille,Ion Channels of Excitable Membranes, 3rd Edition.

[6] https://people.math.osu.edu/yang.2677/HH_model.txt.

[7] R. FitzHugh,Impulses and physiological states in theoretical models of nerve membrane.

[8] H. Haken,Brain Dynamics -- An Introduction to Models and Simulations.

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