2023年12月20日发(作者：)

对大脑及神经系统的简单认识

信息工程学院 吕一坤 04015217

摘要：二十世纪是物理科学的世纪而二十一世纪则是生命科学的世纪。生命科学，尤其是生物技术的迅猛发展，不仅与人类健康农业发展以及生存环境密切相关而且还将对其它学科的发展起到促进作用。在这样飞速发展的背景下，对人类大脑的研究也在不断前进，以前对于人类自身都显得非常神秘的脑部及神经结构正在这样的发展下逐渐被人们所了解。

一 对大脑的认识

1简介：

大脑（brain)包括端脑和间脑，端脑包括左右大脑半球。端脑是脊椎动物脑的高级神经系统的主要部分，由左右两半球组成，是人类脑的最大部分，是控制运动、产生感觉及实现高级脑功能的高级神经中枢。脊椎动物的端脑在胚胎时是神经管头端薄壁的膨起部分，以后发展成大脑两半球，主要包括大脑皮质、大脑髓质和基底核等三个部分。大脑皮质是被覆在端脑表面的灰质、主要由神经元的胞体构成。皮质的深部由神经纤维形成的髓质或白质构成。髓质中又有灰质团块即基底核，纹状体是其中的主要部分。在医学及解剖学上，多用大脑一词来指代端脑。

2 基本功能:

大脑左半球的功能：语速→语言、 平衡→行动、免疫、概念、数字、行动、免疫、概念、分析、逻辑推理等功能。

大脑右半球的功能：语速→语言（因为语速比左脑快些再加上其他右脑功能配合，所以右脑适合声乐）、平衡→行动、免疫、图像、音乐、绘画、空间几何、想像、综合等功能。

3 主要特点：

可塑性：加拿大科学家在对11位先天失明者和11位正常人进行研究后发现，大脑具有惊人的可塑性。正常情况下，与眼睛相连的视觉信息处理与空间感知脑区也能与声波信息进行重新连接。因此，一些先天性失明的盲人来感知空间，实现“以耳代目”。

相似性:美国麻省理工学院出版的《技术评论》杂志报道，艾伦脑科学研究所的科学家绘制出了两个迄今最完整的人脑基因图谱，为神经科学研究提供了重要的数 据支撑。科学家表示，最新1“出炉”的人脑基因图谱提供的数据将被广泛用于与帕金森症、精神分裂症、多发性硬化症甚至肥胖等与神经障碍和认知功能有关的疾病的研究，以及探究健康的大脑如何工作。人脑相似度高达94%，至少82%的人类基因都会在大脑中表达。

4 大脑对信息的分析处理

脑对信息的处理主要研究为脑对视觉信息处理、学习与记忆、意识产生等 1、视觉信息处理机制是既平行又分级串行的信息处理机制视系统组织成不同的通路对视觉信息的不同侧面进行传递和处理。2、 学习与记忆对学习的神经学机制研究主要是坎德尔对海兔的敏感化和经典条件反射实验得到的。学习与连接感觉神经细胞和产生保护性反射肌群活化的神经细胞之间的突触加强有关短期记忆与长期记忆均发生在突触部位。LTP和LTD的调节。3、 意识。意识的本质是一种主观信息是人体感官眼、耳、鼻、舌、皮肤接收事物的状况。通过神经系统输送到人的大脑，然后由大脑细胞对其进行存储、记忆、识别、联想、比较、重组、构建和创造所形成的主观

信息。信息存储和记忆在人的大脑中就是意识表达出来还是信息。意识形成后由大脑储存、记忆或发出指令支配人的一切生命活动感知、认识客观外界,指导人们的实践活动、创造、发明新的客观事物等等。

二 神经元

1认识神经元：

神经元是具有长突触（轴突）的细胞，它由细胞体和细胞突起构成。在长的轴突上套有一层鞘，组成神经纤维，它的末端的细小分支叫做神经末梢。细胞体位于脑、脊髓和神经节中，细胞突起可延伸至全身各器官和组织中。核大而圆，位于细胞中央，染色质少，核仁明显。细胞质内有斑块状的核外染色质（旧称尼尔小体），还有许多神经元纤维。细胞突起是由细胞体延伸出来的细长部分，又可分为树突和轴突。每个神经元可以有一或多个树突，可以接受刺激并将兴奋传入细胞体。每个神经元只有一个轴突，可以把兴奋从胞体传送到另一个神经元或其他组织，如肌肉或腺体 。

2 结构：

1）细胞膜：

胞体的胞膜和突起表面的膜，是连续完整的细胞膜。除突触部位的胞膜有特异的结构外，大部分胞膜为单位膜结构。神经细胞膜的特点是一个敏感而易兴奋的膜，在膜上有各种受体和离子通道，二者各由不同的膜蛋白所构成。形成突触部分的细胞膜增厚。膜上受体可与相应的化学物质神经递质结合，膜的离子通透性及膜内外电位差发生改变，胞膜产生相应的生理活动：兴奋或抑制。

2）细胞核：

多位于神经细胞体中央，大而圆，异染色质少，多位于核膜内侧，常染色质多，散在于核的中部，故着色浅，核仁l～2个，大而明显。细胞变性时，核多移向周边而偏位。

3）细胞质：

位于核的周围，又称核周体，其中含有发达的高尔基复合体、滑面内质网，丰富的线粒体、尼氏体及神经原纤维，还含有溶酶体、脂褐素等结构。具有分泌功能的神经元，胞质内还含有分泌颗粒，如位于下丘脑的一些神经元。

4）尼氏体:

又称嗜染质，是胞质内的一种嗜碱性物质，在一般染色中岛被碱性染料所染色，多呈斑块状或颗粒状。它分布在核周体和树突内，而轴突起始段的轴丘和轴突内均无。尼氏体的形态结构可作为判定神经元功能状态的一种标志。

5）神经元纤维：

在神经细胞质内，存在着直径约为2～3μm的丝状纤维结构，在银染的切片体本可清晰地显示出呈棕黑色的丝状结构，此即为神经原纤维，在核周体内交织成网，并向树突和轴突延伸，可达到突起的未消部位。其生理功能主要参与胞质内的物质转运活动，接近微管表面的各种物质流速最大，微管的表面有动力蛋白，它本身具有ATP酶的作用，在ATP存在状态下，可使微管滑动，从而使微管具有运输功能。

6）脂褐素：

常位于大型神经无核周体的一侧，呈棕黄色颗粒状，随年龄增长而增多，经电镜和组织化学证实为次级溶酶体形成的残余体， 其内容物为溶酶体消化时残留的物质，多为异物、脂滴或退变的细胞器。

7）突起：

树突：

树突是从胞体发出的一至多个突起，呈放射状。胞体起始部分较粗，经反复分支而变细，形如树枝状。树突的结构与脑体相似，胞质内含有尼氏体，线粒体和平行排列的神经原纤维等，但无高尔基复合体。一般电镜下，树突棘内含有数个扁平的囊泡称棘器。树突的分支和树突棘可扩大神经元接受刺激的表面积。树突具有接受刺激并将冲动传入细胞体的功能。

轴突：

每个神经元只有一根胞体发出轴突的轴突表面的细胞膜，称轴膜,轴突内的胞质称轴质或轴浆。轴质内有许多与轴突长袖平行的神经原纤维和细长的线粒体，但无尼氏体和高尔基复合体，因此，轴突内不能合成蛋白质。轴突成分代谢更新以及突触小泡内神经递质，均在胞体内合成，通过轴突内微管、神经丝流向轴突末端。轴突的主要功能是将神经冲动由胞体传至其他神经元或效应细胞。轴突传导神经冲动的起始部位，是在轴突的起始段，沿轴膜进行传导。

3主要功能：

神经元可以直接或间接(经感受器)地从体内、外得到信息，再用传导兴奋的方式把信息沿着长的纤维（突起）作远距离传送。信息从一个神经元以电传导或化学传递的方式跨过细胞之间的联结(即突触)，而传给另一个神经元或效应器，最终产生肌肉的收缩或腺体的分泌，神经元还能处理信息，也能以某种尚未清楚的方式存储信息。神经元通过突触的连接使数目众多的神经元组成比其他系统复杂得多的神经系统。神经元也和感受器如视、听、嗅、味、机械和化学感受器，以及和效应器如肌肉和腺体等形成突触连接。高等动物的神经元可以分成许多类别，各类神经元乃至各个神经元在功能、大小和形态等细节上可有明显的差别。

三 脑电信号的产生机制，获取和分析方法

1 什么是脑电信号？

脑电信号是生物电信号的一种，生物体在生命活动过程中表现的电现象，称为生物电现象。包括：

膜电位在可兴奋组织（如神经和肌肉）的细胞膜内、外，存在着不同的带电离子，膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差，称为膜电位。

损伤电位活组织的完整部位与损伤部位之间存在着电位差，称为损伤电位。如将电位计的两个电极放在完整无损伤的肌肉或神经表面，由于两处电位相等，无任何电位差可见。如组织局部损伤，其中一个电极移至损伤部位，另一电极仍处于完整部位表面，则可观察到电位计的指针发生偏转，损伤部位为负，完整部位为正，此种电位差，即为损伤电位。损伤电位随着时间推移而逐渐下降，直至组织死亡而完全消失。损伤电位的出现，证明膜内外存在着电位差，即膜电位。

静息电位通常所指膜电位，是指细胞未受刺激时，即处于静息状态下，细胞膜两侧存在的电位差，称为静息膜电位，或简称静息电位。在通常情况下，细胞只要处于静息状态，维持正常的新陈代谢，其静息电位总是稳定在一定水平上，一般为50～100毫伏直流电位。此一现象称为极化

动作电位可兴奋组织在兴奋时所产生的生物电活动。如在用纤维内的电级记录静息电位的同时，在纤维的另一端给予电刺激，经过极短时间的潜伏期约0.06毫秒（ms）后，记录电极部位就会在静息电位的基础上，出现一个快速的生物电变化，历时约1毫秒。包括一个极陡峭的上升相和一个较缓慢的下降相。上升相表现为先是膜电位由

原来的静息水平迅速减小，原先的极化状态消失，称为去极化（或称除极化），继而导致膜极性倒转，变成膜内为正的相反极化状态，称为反极化。极性倒转的部分称为超射。整个上升相达85毫伏，等于静息电位的绝对值与超射的总和。然后为下降相，膜电位逐渐恢复到原先的静息电位水平，称为复极化。

脑电信号（EEG）是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映，其包含了大量的生理与病理信息，并可以用许多特征量来描述其特征信号。脑电信号的时-频特征分析可以有效地提取其特征量。EEG本质上是非线性时间序列。

当神经递质在神经元间传递，神经元细胞膜表面就会发生电位的变化，不同的刺激变化不同，这就是我们要研究脑电信号的原因。

2 获取方法

脑电信号来源于大脑，要精准的测量其微小的变化极为困难，这也是长久以来阻碍人类对大脑研究的众多困难之一。

脑电信号的采集方式，从破坏性上可分为两类：有创和无创。有创采集方式由于要进行开颅手术而对大脑有一定的损伤；无创采集方式就不需要这种手术，从而对人脑没有什么损害。有创采集方式具体可分为完全植入型和皮层表面电极。完全植入型就是将电极植入到大脑皮层中；而皮层表面电极型则是将电极放在大脑皮层的表面而不是真正植入大脑。

侵入式BCI，又称植入式BCI，是一种有损型脑电采集技术，利用直接脑神经接口技术，通过外科开颅手术将电极阵列植入颅内，直接记录或刺激大脑神经元，从而实现和外界环境的交互。通过植入这些微装置于颅内神经中枢，可以更精准地监测大脑的活动、研究大脑机能、治疗脑部疾病，控制外部设备等。

非侵入式BCI使用头皮电极记录大脑活动产生的EEG信号。非侵入式BCI系统可以实现简单、无损的脑机交互。侵入式BCI和非侵入式BCI相比，侵入式BCI有损伤，但精确。

3 特征分析方法

目前研究者们把用在各个领域的特征提取和分类的算法拿来研究对EEG信号的特征提取和分类。常用的特征提取算法有：自回归模型（AR模型）、功率谱密度估计、小波变换、混沌法、公共空间模式、新型描述符、多维统计分析等。常用的分类方法有：Fisher线性判别、贝叶斯方法、BP神经网络、支持向量机等。

接下来简单介绍一下几种方法：

1）时域分析：

直接从时域提取特征是最早发展起来的方法, 因为它直观性强, 物理意义比较明确 ,因此仍有不少脑电图医生或技师使用。过去的 EEG 分析主要靠肉眼观察,这可以看作是人工时域分析。时域分析主要用来直接提取波形特征,

如过零截点分析、直方图分析 、方差分析 、相关分析、峰值检测及波形参数分析、相干平均 、波形识别等等 。

2）小波变换 ：

小波变换因为具有(1)多分辨率(多尺度);(2)品质因数,即相对带宽(中心频率与带宽之比)恒定 ;(3)适当地选择基本小波 ,可使小波在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力。当使用较小尺度时, 时轴上观察范围小 ,而在频域上相当于用较高频率做分辨率较高的分析 ,即用高频小波做细致观察;当使用较大尺度时,时轴上观察范围大,而在频域上相当于用低频小波作概貌观察。因此小波变换被誉为“数学显微镜”

3）非线性动力学

近年来,随着非线性动力学的发展 ,越来越多的证据表明大脑是一个非线性动力学系统 , 脑电信号可以看作是它的输出 。因此人们尝试把非线性动力学的一些方法,如分维数、Lorenz 散点图、Lyapunov 指数 、复杂度等用于脑电信号分析, 以期获得对大脑的新的认识。脑电信号的 Lorenz 散点图是指以脑电信号相邻两采样点的前一点值为横坐标, 后一点值为纵坐标绘制而成的图 。资料表明 ,癫痫病人脑电信号相邻采样点的值较为接近且整段脑电信号的值的分布范围较大, 而正常人脑电信号的Lorenz 散点图中的点大多分布在一个范围较小的椭圆形区域 。

4）人工神经网络(ANN)分析

神经网络可用作自发脑电(EEG)分析 , 分析的目的是为了检测 EEG 尖波和癫痫发作, 输入方式可以使用原始信号模型和特征参数模型。目前有利用小波变换和人工神经网络相结合的方法来检测 EEG 信号中的棘波和尖波成分。利用小波变换 (WT)对基于ANN的EEG 棘波检测系统的输入进行预处理 ,从而在不减少信号的信息内容和降低检测性能的前提下减少ANN 的输入规模 。

4研究脑电信号的意义

中国有大约三千两百多万[老年人需要不同形式的护理，而目前我国为老年人提供的服务设施严重短缺。同时，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也很多，这就更加增大了对服务设施的需求。目前许多发达国家采用服务机器人为老年人与残疾人士提供服务，用来提高他们的生活质量。但是，由于大多数服务机器人与人的交互方式都是通过声音、按钮等传统方式，而很多老年人及残障人士部分或完全丧失了自主控制肌肉的能力，甚至吞咽、说话都困难，这些人控制此类服务机器人的难度非常大。如何使这部分人群重新恢复对外部世界的控制能力以及与外部世界交流的能力，帮助他们重新返回现代社会是目前研究的热点。随着对脑电信号的深入研究，人类的治疗水平不断上升，让这些与社会脱离的老人还有残疾、瘫痪的人重新回归社会指日可待，这不仅解放了劳动力，更为国家乃至社会的安定做出了卓越的贡献。

四 结语

随着科技的不断进步，人类对于大脑的研究也在不断加深，虽然这些研究看似与我们的专业非常遥远，但其实随着科技多元化的发展，各种研究融会贯通，正是需要我们了解跨专业知识以达到融会的目的。生命科学导论不仅让我们了解到了最新的生命科学发展方向，也让我在学习中不断思考人类伦理与科学发展的碰撞，思考人类的起源与终点，扩展了我的视野，充实了我的思想。生命科学正是发展迅速的时候，我一个学信息的学生也为之振奋，只有先在自己的专业打下良好的基础，才能在以后为这些研究添砖加瓦。