第 2 讲 · 脑认知的神经基础

认知最终必须由一个物理系统实现。我在这一讲从全脑、脑区、神经网络、细胞到分子逐层下钻，回答两个问题：单个神经元如何产生信号，神经元之间如何传信号。

脑系统不是一张简单的“功能地图”

课件从前脑、中脑、后脑和大脑皮质讲起，并介绍了 Brodmann 分区、运动区、躯体感觉区、视觉区、听觉区和语言相关区。

这些定位提供了起点，但不应理解为“一块皮质 = 一个完整心理功能”。阅读、记忆或决策依赖多区域和长程连接；同一区域也可能在多种任务中参与不同计算。

神经元怎样组成信息链

树突：接收输入
   ↓
胞体：整合多路输入
   ↓
轴丘：是否达到发放阈值
   ↓
轴突：传播动作电位
   ↓
突触末梢：向下一个细胞释放递质

神经元的胞体、树突、轴突、髓鞘和末梢

神经元不是把输入原样拷贝到输出。树突和胞体上的兴奋/抑制输入在时间与空间上叠加，只有当轴丘电位到达阈值，才会发放动作电位。

静息膜电位从哪里来

细胞膜把细胞内外两种不同离子环境隔开。关键因素有：

  • 细胞内外 K+\mathrm{K^+}、Na+\mathrm{Na^+}、Cl−\mathrm{Cl^-} 等离子浓度不同；
  • 膜对不同离子的通透性不同，静息时钾漏通道影响很大；
  • 离子同时受浓度梯度和电场驱动；
  • 钠钾泵消耗能量，长期维持浓度梯度。

课件把静息膜电位、离子通道和跨膜信号转导放在一起，因为膜电位并不是电池里一个不变的电压，而是浓度、通道开闭和主动转运动态平衡的结果。

动作电位：幅度不编码强弱，时序和频率才编码

达到阈值后，电压门控钠通道快速打开，Na+\mathrm{Na^+} 内流导致去极化；之后钠通道失活、钾通道打开，K+\mathrm{K^+} 外流使膜电位复极化，可能短暂超极化。

动作电位有“全或无”性质：刺激更强通常不是让单个尖峰更高，而是改变尖峰的频率、时间或群体参与模式。不应把它直接类比为人工神经网络中一个可任意取值的浮点数。

突触传递把电信号转成化学信号，再转回电信号

  1. 动作电位到达突触前末梢；
  2. 电压门控钙通道打开，Ca2+\mathrm{Ca^{2+}} 进入；
  3. 突触小泡与细胞膜融合，释放神经递质；
  4. 递质跨过突触间隙，与突触后受体结合；
  5. 受体改变离子通道或胞内信号通路，产生兴奋或抑制性突触后电位；
  6. 递质被重摄取、降解或扩散，信号结束。

不同神经递质不能简化为“快乐分子”或“抑郁分子”。其效果取决于受体类型、脑区、时间尺度和网络状态；同一递质在不同回路中可能有不同作用。

从细胞走回认知

动作电位解释了神经元怎样发信号，但不会单独解释“看见一张脸”。认知现象依赖大量细胞之间的连接、可塑性、同步与竞争。下一步必须问：这些活动如何承载对象、规则和经验，这就进入心理表征。

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