脑机接口基础之神经科学

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人脑有一个独特的能力：信息处理能力。负责大脑信息处理任务的是一种叫做神经元的细胞。它们负责从其他大量神经元中获取信息、处理并将信息传递给其他神经元。它们之所以能完成这些工作，主要是由神经元的生物物理特性决定的。

神经元又称神经细胞，是神经系统最基本的结构和功能单位，也常被认为是神经系统最基本的计算单元。神经元分为细胞体和突起两部分。细胞体由细胞核、细胞膜、细胞质组成，具有联络和整合输入信息并传出信息的作用。突起有树突和轴突两种。树突短而分枝多，直接由细胞体扩张突出，形成树枝状，其作用是接受其他神经元轴突传来的冲动并传给细胞体。轴突长而分枝少，为粗细均匀的细长突起，常起于轴丘，其作用是接受外来刺激，再由细胞体传出。轴突除分出侧枝外，其末端形成树枝样的神经末梢。末梢分布于某些组织器官内，形成各种神经末梢装置。

神经元和电信号

神经元是如何产生电信号的呢？

由于神经元的细胞膜由磷脂双分子层构成，如下图：

这种细胞膜可以选择性地让一些特定类型的离子通过（离子通过的通道叫离子通道，它是一些嵌入细胞膜中的蛋白质）。神经元存在于水介质中，细胞内外都有大量的离子，比如钠离子、钙离子，氯离子、钾离子等。当细胞膜外的钠离子、氯离子和钙离子的浓度大于细胞膜内，而细胞膜内的钾离子、阴离子的浓度较大时，会导致细胞膜两边的离子浓度不平衡，使得神经元细胞存在约-60mV到-70mV的跨膜静电位差。

当神经细胞接收到其他神经细胞的神经递质(化学物质)后，会引发一系列事件的发生：钠离子快速流入细胞内，使得细胞膜电位升高，直到钾离子通道打开，促使钾离子流出细胞，使得细胞膜电位下降，这种膜电位快速上升和下降的现象称为动作电位或锋电位。动作电位或锋电位的产生过程如下图：

(Injected current:注入电流；Stimulating electrode：刺激电极；Ampllfler：放大器；recording electrode：记录电极；Membrane potential：膜电位)

由于锋电位有固定的的波形，它快速上升至0mV以上，又快速下降回到处初值，然后在稳定的电流刺激下又上升至约-40mV的阈值处，此时细胞将再次放电。

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