大脑、神经元、认知：计算神经科学

Wolfram Research的下一步努力将是让生物学变得可计算，在这里很高兴与大家分享我们最近发布的神经科学相关的内容。

人类神经系统最中心的部分是大脑。它包含大约 1 千亿个神经元，共同来处理信息，并按功能和结构细分为特定的区域。大脑解剖学、神经元的特征和认知图谱被用于表示功能组织的一些关键特性以及我们神经系统的处理能力。我们新的神经科学内容将带给你大脑、神经元和认知的事实，让你有机会窥视这神奇的神经科学世界。

大脑解剖学与网络

大脑的基本部分，杏仁核（amygdala）是被广泛研究的认知区域，决定你的 EQ -情商指数噢！它在情绪状态、记忆、脸部识别和决策中发挥着积极的作用（据说杏仁核越大，你的朋友圈越大，呵呵）。杏仁核靠近脑干，接近于大脑的中心且形如其名：

杏仁核的外部连接可以用"NeuronalOutput" 属性找到：

下面是在两层中杏仁核外面连接的可视化：

正如简单的网络一样，我们可以在其他网络上进行额外的计算。像许多其他的生物系统一样，我们的神经系统可以接受正面以及负面的反馈。反馈是大脑信息处理的一个关键方面；它允许增加或减少传递的有效性，以及对由此得出的结果的微调。

找到上图的回路并高亮显示：

或找到包含杏仁核-前额叶皮质的组合。前额叶皮质在决策中起主要作用，因此杏仁核-前额叶皮质连接在情绪体验的调节反应中至关重要：

我们还可以识别杏仁核和脊髓之间的最低成本流量。脊髓处理来自大脑的信号并将其传递到身体的其他部分以激发运动反应：

还有值得注意的是，在中心神经系统中除了大脑的连接，在我们的 AnatomyData 函数中还有周边神经支配。来自脊髓的运动指令最终会传到外围。

找到支配左手的神经：

使用 AnatomyPlot3D 函数进行立体可视化：

神经元特性

到目前为止，我们已经看过我们神经系统的宏观图片。现在让我们看看大脑的功能单位，神经元。当然，我们无法表征所有数十亿的神经元，但是几百种类型的神经元的关键特征在各种哺乳动物物种中非常相似；这些会被详细考虑。

"神经元"实体类型可用的各种属性可用于单类神经元的物理、电生理和空间特征：

我们可以得到在特定大脑区域中发现的神经元类型的信息。例如，我们可以得到海马神经元的列表，这与情绪状态、短期到长期记忆的转换和空间记忆的形成相关联：

收集更多的细节，神经元集合的列表，其轴突在海马的 CA1 神经纤维区域分叉：

神经元传输电信号以便彼此通信。它们的尖峰的物理特征和模式，被称为动作电位，在不同的神经元类型之间是不同的。

我们可以获得实验测量的海马 CA1 锥体细胞的电生理特性：

这里我们可以可视化识别不同神经元类型的尖峰特性：

基于涉及电压和电流的四个微分方程，可以利用众所周知的霍奇金（Hodgkin）和赫克斯利（Huxley）模型（A.L.Hodgkin和A.F.Huxley，1952）来模拟单个神经元的尖峰传播。此外，还有生物学上现实的计算模型，涵盖霍奇金（Hodgkin）和赫克斯利（Huxley）的概念，旨在模拟神经元群体中的尖峰（E.M.Izhikevich，2004）。我们可以更好地了解神经元是如何通过对神经元电峰进行建模并将其活动模式与实验测量结果进行比较来激发/抑制彼此传播信息的：

认知图谱

在看完大脑中的微观特征后，最后让我们来探索大脑的宏观执行功能。得益于影像技术的进步，我们可以在各种认知状态下可视化大脑的活动，因此我们可以绘制与特定认知过程相关的皮层区域。与特定功能（如记忆、决策、语言、情绪状态、视觉感知等）相关的大脑区域可以用基于活动的功能性磁共振成像（ fMRI）分析进行表征化。

使用具有 AnatomicalFunctionalConcept 实体类型的 EntityValue 查询，我们可以找到有关分层分类的大脑活动的更多信息：

在这里, 我们可以查找与每个脑叶相关的功能类别, 并创建一个简单的皮质图：

我们不仅有皮层图的抽象表示；还有基于 fMRI的大脑活动统计图。

让我们来看看我们是如何感知视觉世界的。视觉感知的一个关键方面是认知的子进程（概念），因为我们的大脑将我们视觉感知的脸部、地点、单词、数字等等都用独特的活动模式进行归类。下图说明了这些概念是如何分层组织的。大脑活动的一些区域被高亮了（从后方看脑部图像）：

好, 让我们进一步看看。视觉感知的词、句子、脸部等会反过来影响 “语言” 和 “情感”:

我们可以确认杏仁核 (记住, 在大脑中心附近可以找到左、右杏仁核 ) 高效地影响着你的情绪。如果你想了解更多与这些内容相关的单个模型，也可以在 3D 多边形数据中找到并利用我们的 AnatomyData 中的 3D 大脑模型一起做进一步的计算。

这是与情感相关的大脑活动区域的 3D 图形：

我们可以将该图形与大脑模型结合在一起进行视觉比较（杏仁核以红色突出显示；此处显示右侧大脑半球以方便演示）：

了解我们的大脑是如何组织的，以及它如何协调我们神经系统的过程是很奇妙的。我们知道，人类的认知还有很多需要学习，每天都有令人振奋的发现。随着我们洞察力的增加，知识库的不断扩大，我们可以更好和更深的了解人类的神经系统。

不要走开噢，我们还会发布更多与神经科学相关的内容！

想了解更多关于神经科学的例子，请前往 Wolfram|Alpha 范例网站：

http://www.wolframalpha.com/examples/Neuroscience.html http://www.wolframalpha.com/examples/Neurons.html http://www.wolframalpha.com/examples/BrainAnatomy.html http://www.wolframalpha.com/examples/AnatomicalFunctions.html http://www.wolframalpha.com/examples/CognitiveTasks.html