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摘 要：基于神经元模型及其构建的神经网络的发展，总结神经元模型及其网络在脑科学中研究的发展历程，并对其重要意义进行概述和展望，分析国内脑科学研究机构的分布情況，以期对脑科学基础研究的初学者有一定帮助。结论表明，脑科学研究致力于阐明神经信号处理机制、脑结构及其功能的发育和可塑性。地区经济发展情况与当地的脑科学研究机构的建设情况有直接关系。
关键词：神经元;神经网络;脑科学;神经科学;脑疾病
一、引言
人脑中包含近1000亿个神经元和神经胶质细胞，这些神经细胞组合在一起构建成完整的人脑结构，具有特别复杂的生理结构，他们的主要功能是负责神经信息的收集、整合、处理和传递。对于同一大脑区域的每个神经元而言，他们不仅具有相对独立的电生理活动，而且还能相互作用，实现共同的生理功能，从而确保人脑的功能的完整性。
大脑的奥秘启发了许多研究人员，数以万计的研究人员痴迷于探索神经电活动的工作机制。20世纪80年代左右，人们开发了各种人工神经元和神经网络模型，以模拟生物神经元和神经系统的不同电活动，如 Hodgkin-Huxley（HH）模型、FitzHugh-Nagumo（FHN）、Morris-Lacar（ML）模型、HR模型、Chay模型、Hopfield神经网络（HNN）、细胞神经网络（CNN）等等。关于神经元模型中的神经电活动，包括周期脉冲、周期爆发和模式转换等都得到大量的研究。时至今日，大脑仍然是人类认知的“黑洞”。科学界也将脑科学称为“人类科学最后的前沿”，因此脑科学是当今世界科学研究的前沿领域。
二、模型研究
在此之前，有很多研究机构开始研究脑科学，主要研究方向包含3类。第一类是研究神经活动基本过程，包含神经信号转导和突触传递、感觉信息处理及其机制、神经系统功能发育、再生和可塑性等问题;第二类研究脑的高级功能，包括学习和记忆的细胞和分子机制、睡眠觉醒调节和呼吸睡眠疾病的分子和中枢机制、脑复杂认知活动的功能成像研究;第三类研究神经系统重要疾病机制与防治，包括急性神经损伤和神经退行性疾病的机制及防治研究、癫痫等脑疾病的发生机制及防治研究、特殊感觉障碍的功能重建、针刺治疗的神经生物学基础等。
研究这些问题的出发点是1952年由Hodgkin和Huxley提出的HH神经元模型。该神经元模型是基于单神经元电生理的实验提出来的，它描述真实神经元的尖峰行为和不应期，并作为基于离子通道非线性电导的尖峰神经元的范例。
1962年，FitzHugh等引入从四维HH模型中简化出来的二维FHN模型来描述神经元的兴奋性和峰值放电。1981年，Morris和Lecar提出简化的HH模型，称为ML模型。该模型是一种生物神经元模型，用于再现巨大藤壶纤维中与钙离子和钾离子电导相关的各种振荡行为。1984年，Hindmarsh和Rose提出HR模型，该模型不仅可以有效地促进计算，而且可以产生真实生物神经元表现出的大部分放电行为，比如静息态，尖峰放电和簇放电。HR模型包含一类2维模型和一类3维模型。1985年，为了重现β细胞的放电行为，Chay开发一个三维神经元模型，可以模拟爆炸和混沌放电。1984年，Hopfield提出一种理想的神经网络，即Hopfield神经网络。由于其较强的非线性和灵活的代数表达式，HNN特别适合于模拟大脑中的各种复杂的动力学行为，特别是混沌行为。1988年，Chua和Yang提出一个基于蜂胞自动机和Hopfield神经网络的蜂窝神经网络。
一直以来，大量的科研人员致力于探索一个更加接近真实神经元的数学模型，并为此付出不懈的努力。多个神经元模型的问世，也意味着关于人脑功能与神经元模型的探索将一如既往地继续下去。
三、讨论与分析
神经系统由大量的神经元组成，而一个神经元是一个神经元系统的结构和功能的基本单元。电生理实验表明，神经元是高度复杂的非线性动态系统，在不同离子浓度下表现出丰富的放电模式。神经元的复杂放电是由神经元细胞膜内外的离子电流相互作用产生的。
在此基础上，国内多家机构对脑科学研究产生浓厚的兴趣。脑与认知科学国家重点实验室2005年经科技部批准建设，2007年通过验收并正式开放运行。2011年11月18日，美国国际数据集团与北京师范大学签署捐建协议，成立北京师范大学IDG/麦戈文脑科学研究院。2013年11月24日，清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院揭牌典礼在清华大学郑裕彤医学楼脑科学研究院举行。2014年11月16日，中国科学院深圳先进技术研究院与麻省理工学院麦戈文脑科学研究所合作共建的脑认知科学和脑疾病研究所正式揭牌。2018年5月14日，上海脑科学与类脑研究中心揭牌仪式在张江实验室举行。2018年10月26日，教育部同时下发6个文件，决定对6所顶尖名校的6个不同前沿科学中心进行立项，其中包括浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心。2018年9月14日，浙江大学发布实施《脑科学与人工智能会聚研究计划》。
在众多脑科学研究机构中，全国先有神经科学研究机构数量为65个。其中，华东地区的神经科学研究机构数量明显多于其他地区，共计有25个。华南地区13个，华北地区12个。西南地区有7个，东北和西北各有3个。华中地区数量最少，只有2个。而在华东地区，江浙沪三地的神经科学研究机构的数量就达到17个，比西南、东北、西北和华中地区数量的总数还要多。由此可见，经济发展程度与科学研究之间也存在一定关联，经济越发达的地区，对脑科学研究投入也就越多，其科研机构数量也越多。
四、结论与总结
对神经元模型的基本发展历程进行回顾，总结现阶段国内脑科学研究机构的分布情况，分析现阶段脑科学研究的主流方向。研究发现国内脑科学研究结构的设置情况与当地的经济发展具有深度的联系，上海市作为经济、科研和教育中心，拥有10所脑科学研究机构，而作为科研和教育重地的华中地区湖北省只有1个脑科学研究机构。研究脑科学将进一步增加人类对自身的认识，并逐渐提高神经网络科学对科技应用的支持。
参考文献：
[1]刘燕. 攻坚脑疾病 引领中国神经科学走在前沿[N]. 健康报，2021-09-08（008）.
[2]潘锋，张浩臣.脑科学是人类认识世界认识自我的最终挑战——访中国科学院院士、美国科学院外籍院士蒲慕明教授[J].中国医药导报，2021，18（25）：1-3.
[3]侯安山，骆玫.方兴未艾的脑科学[J].知识就是力量，2021（08）：4-7.
关键词：神经元;神经网络;脑科学;神经科学;脑疾病
一、引言
人脑中包含近1000亿个神经元和神经胶质细胞，这些神经细胞组合在一起构建成完整的人脑结构，具有特别复杂的生理结构，他们的主要功能是负责神经信息的收集、整合、处理和传递。对于同一大脑区域的每个神经元而言，他们不仅具有相对独立的电生理活动，而且还能相互作用，实现共同的生理功能，从而确保人脑的功能的完整性。
大脑的奥秘启发了许多研究人员，数以万计的研究人员痴迷于探索神经电活动的工作机制。20世纪80年代左右，人们开发了各种人工神经元和神经网络模型，以模拟生物神经元和神经系统的不同电活动，如 Hodgkin-Huxley（HH）模型、FitzHugh-Nagumo（FHN）、Morris-Lacar（ML）模型、HR模型、Chay模型、Hopfield神经网络（HNN）、细胞神经网络（CNN）等等。关于神经元模型中的神经电活动，包括周期脉冲、周期爆发和模式转换等都得到大量的研究。时至今日，大脑仍然是人类认知的“黑洞”。科学界也将脑科学称为“人类科学最后的前沿”，因此脑科学是当今世界科学研究的前沿领域。
二、模型研究
在此之前，有很多研究机构开始研究脑科学，主要研究方向包含3类。第一类是研究神经活动基本过程，包含神经信号转导和突触传递、感觉信息处理及其机制、神经系统功能发育、再生和可塑性等问题;第二类研究脑的高级功能，包括学习和记忆的细胞和分子机制、睡眠觉醒调节和呼吸睡眠疾病的分子和中枢机制、脑复杂认知活动的功能成像研究;第三类研究神经系统重要疾病机制与防治，包括急性神经损伤和神经退行性疾病的机制及防治研究、癫痫等脑疾病的发生机制及防治研究、特殊感觉障碍的功能重建、针刺治疗的神经生物学基础等。
研究这些问题的出发点是1952年由Hodgkin和Huxley提出的HH神经元模型。该神经元模型是基于单神经元电生理的实验提出来的，它描述真实神经元的尖峰行为和不应期，并作为基于离子通道非线性电导的尖峰神经元的范例。
1962年，FitzHugh等引入从四维HH模型中简化出来的二维FHN模型来描述神经元的兴奋性和峰值放电。1981年，Morris和Lecar提出简化的HH模型，称为ML模型。该模型是一种生物神经元模型，用于再现巨大藤壶纤维中与钙离子和钾离子电导相关的各种振荡行为。1984年，Hindmarsh和Rose提出HR模型，该模型不仅可以有效地促进计算，而且可以产生真实生物神经元表现出的大部分放电行为，比如静息态，尖峰放电和簇放电。HR模型包含一类2维模型和一类3维模型。1985年，为了重现β细胞的放电行为，Chay开发一个三维神经元模型，可以模拟爆炸和混沌放电。1984年，Hopfield提出一种理想的神经网络，即Hopfield神经网络。由于其较强的非线性和灵活的代数表达式，HNN特别适合于模拟大脑中的各种复杂的动力学行为，特别是混沌行为。1988年，Chua和Yang提出一个基于蜂胞自动机和Hopfield神经网络的蜂窝神经网络。
一直以来，大量的科研人员致力于探索一个更加接近真实神经元的数学模型，并为此付出不懈的努力。多个神经元模型的问世，也意味着关于人脑功能与神经元模型的探索将一如既往地继续下去。
三、讨论与分析
神经系统由大量的神经元组成，而一个神经元是一个神经元系统的结构和功能的基本单元。电生理实验表明，神经元是高度复杂的非线性动态系统，在不同离子浓度下表现出丰富的放电模式。神经元的复杂放电是由神经元细胞膜内外的离子电流相互作用产生的。
在此基础上，国内多家机构对脑科学研究产生浓厚的兴趣。脑与认知科学国家重点实验室2005年经科技部批准建设，2007年通过验收并正式开放运行。2011年11月18日，美国国际数据集团与北京师范大学签署捐建协议，成立北京师范大学IDG/麦戈文脑科学研究院。2013年11月24日，清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院揭牌典礼在清华大学郑裕彤医学楼脑科学研究院举行。2014年11月16日，中国科学院深圳先进技术研究院与麻省理工学院麦戈文脑科学研究所合作共建的脑认知科学和脑疾病研究所正式揭牌。2018年5月14日，上海脑科学与类脑研究中心揭牌仪式在张江实验室举行。2018年10月26日，教育部同时下发6个文件，决定对6所顶尖名校的6个不同前沿科学中心进行立项，其中包括浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心。2018年9月14日，浙江大学发布实施《脑科学与人工智能会聚研究计划》。
在众多脑科学研究机构中，全国先有神经科学研究机构数量为65个。其中，华东地区的神经科学研究机构数量明显多于其他地区，共计有25个。华南地区13个，华北地区12个。西南地区有7个，东北和西北各有3个。华中地区数量最少，只有2个。而在华东地区，江浙沪三地的神经科学研究机构的数量就达到17个，比西南、东北、西北和华中地区数量的总数还要多。由此可见，经济发展程度与科学研究之间也存在一定关联，经济越发达的地区，对脑科学研究投入也就越多，其科研机构数量也越多。
四、结论与总结
对神经元模型的基本发展历程进行回顾，总结现阶段国内脑科学研究机构的分布情况，分析现阶段脑科学研究的主流方向。研究发现国内脑科学研究结构的设置情况与当地的经济发展具有深度的联系，上海市作为经济、科研和教育中心，拥有10所脑科学研究机构，而作为科研和教育重地的华中地区湖北省只有1个脑科学研究机构。研究脑科学将进一步增加人类对自身的认识，并逐渐提高神经网络科学对科技应用的支持。
参考文献：
[1]刘燕. 攻坚脑疾病 引领中国神经科学走在前沿[N]. 健康报，2021-09-08（008）.
[2]潘锋，张浩臣.脑科学是人类认识世界认识自我的最终挑战——访中国科学院院士、美国科学院外籍院士蒲慕明教授[J].中国医药导报，2021，18（25）：1-3.
[3]侯安山，骆玫.方兴未艾的脑科学[J].知识就是力量，2021（08）：4-7.