分析資料的統計處理

[拼音]：shenjing he ganjue xinxi

[外文]：neuro-sensory imformation

生物資訊的1種，靠神經系統電脈衝和神經遞質攜帶和傳遞。神經系統的功能是接收、傳遞內外環境中的資訊，加以處理、分析，從而控制和調節機體各部功能，對環境作出適當的反應。因此，神經資訊對於有機體的生存以及正常生活起著至關重要的作用。

感覺資訊的處理

感覺系統是神經系統中直接與內外環境聯絡的部分。感覺系統的終端是感受器，它們分別對某一特定物理或化學性質的刺激敏感（如光感受器只對一定頻率範圍內的光波刺激敏感）。感受器實現能量轉換，把外界刺激變換為神經電活動。一般認為神經資訊編碼於神經脈衝的發放頻率（見生物電、生物膜離子通道）。感受器輸出的資訊，經過多次神經交換，最後投射到皮層，形成不同的感覺區。刺激感官就可引起大腦皮層相應感覺區的電變化。一定刺激條件下記錄到的這種電變化有一定的波形，稱為皮層誘發電位。感覺器官向中樞提供的有關外界環境和體內功能狀態的資訊量，每秒可達109位元。有機體只接收其中最有用、最重要的資訊，並用最經濟最有效的辦法處理。動物的感覺系統在長期進化過程中，形成了十分有效的資訊處理系統。下面以視覺系統為例，說明感覺系統接收和處理資訊的一般規律。

對數律

單個感受細胞輸入－輸出特性的靜態特性，一般服從對數律。在視覺系統中輸入量是光照強度，輸出量是發生器電位或動作電位，它們之間關係為：

式中，ƒ:單位時間內神經脈衝數，I:光照強度，a:常數。對於鱟眼光感受器來說，a＝42，心理物理實驗表明，視覺閃光融合頻率與光照強度之間同樣滿足上述關係。視敏度與照明強度之間在一定條件下也是這種關係。視覺系統的定量組織學研究表明，不少動物的視網膜與視皮層之間拓撲投射關係，是一種複對數的空間變換關係。對數律不僅侷限於視覺系統，描述感覺量與刺激量關係的韋伯－費希納定律，實質上也是一種對數關係。因此，可以說對數律是描寫感覺系統整體及單細胞輸入－輸出關係的普遍規律之一。

適應

感受細胞一般對於刺激的時間變化十分敏感，感受器脈衝發放率與刺激強度及刺激強度的變化率有關。剛給予刺激時或刺激突然增大時，在電生理儀器上可以記錄到密集的神經脈衝。如果刺激強度保持不變，則感受器電位逐步降低，脈衝頻率也將逐漸變稀疏。這種現象在神經生理中稱為適應現象，是感覺適應的生理基礎，感受器對刺激的這種動態反應過程，在一定範圍內可用下列傳遞函式來描述：

式中引數 K1、K2、T0和 T1由不同型別感受器的反應曲線決定（此處未考慮感受器的潛伏期）。各類感受器都具有適應性，但是適應速度不盡相同。

相互抑制作用

感光細胞一般呈密集的陣列狀排列，在視網膜上除了感光細胞以外，還有數量眾多的其他各種型別的細胞，相互之間存在錯綜複雜的聯絡。因此，視神經纖維向中樞傳遞的資訊不僅僅是單個感受細胞所受到刺激值，而且還與鄰近感受細胞的狀態有一定關係。H.K.哈特蘭發現鱟眼中光感受細胞之間存在抑制性相互聯絡，稱之為側抑制網路(圖1a)。這種網路的性質可以用兩個引數來描述:一為抑制係數

，表示第j個細胞對第p個細胞的抑制作用的大小；二為抑制閾值

，只有當第j個細胞的興奮值rj超過

時，才能對第 p個細胞發生抑制作用。這種相互抑制作用可用下列方程描述：

p＝1，2，3，…n式中ep是第 p個感受細胞單獨光照下的反應（以脈衝頻率計量），rp是其他細胞也受光照情況下第p個細胞的反應。由於鱟眼中存在這種抑制性相互作用，使輸入的亮度空間分佈經過這種網路的處理後，神經網路輸出端相應於亮度大的一邊有一高峰，而亮度低的一邊有一凹谷（圖1b）。從而使亮度的空間變化在神經網路中形成一個“誇張“的空間分佈。這種理論成功地解釋了19世紀發現的一種心理現象──馬赫帶現象。現在瞭解到相互抑制作用在其他感覺系統，如聽覺、觸覺中也存在。不僅如此，相互抑制作用在不同層次的神經網路中也可觀察到。所以，相互抑制作用是感覺系統及至整個神經系統處理資訊的普遍規律之一。

功能柱狀結構

組織形態學研究結果表明，貓、猴等哺乳動物的視覺系統呈現由外周到中樞，由低階到高階的明顯的層次性。用微電極記錄視覺系統中單個細胞的活動，用小光點在視網膜上探索，能找到一定區域內的光變化可引起這個記錄細胞的興奮性變化，這個區域叫做這個細胞的感受野。視網膜和外側膝狀體上的感受野一般呈同心圓結構。一類感受野的中心是興奮性的，外周是抑制性的；另一類感受野中心是抑制性的，外周是興奮性的。D.H.休伯爾和T.N.維澤爾的工作表明，視皮層的細胞分成簡單細胞、複雜細胞、超複雜細胞和高階超複雜細胞。這些細胞的感受野呈長條形、邊線形，它們對於影象中邊線的朝向和運動特別敏感(圖2)。

休伯爾和維澤爾的工作表明，視皮層上細胞的排列十分有規則。對同一朝向敏感的細胞，排列在與皮層表面垂直的同一柱狀結構中。相鄰的柱內的細胞對相差 10°的朝向敏感。能夠感受180°範圍內朝向的細胞集體，稱為一個超柱。有的超柱內細胞對來自左眼的資訊敏感，有的對右眼資訊敏感，它們在皮層排列上交替相間出現，很有規律。視皮層呈現的功能上的柱狀結構，帶有一定的普遍性。其他感覺皮層也有類似的結構。

神經網路的資訊處理

神經網路是由大量神經元構成的具有一定功能的複雜系統。因為神經元之間有大量的突觸聯絡，所以可以把神經元看作是一個多輸入多輸出單元。神經元具有時空總和、閾值、不應期、適應性及可塑性等特性。根據這些性質先後提出不少數字模型並用電子線路或由子計算機進行了模擬。W.S.麥卡洛克和W.皮茨1943年，開創性地提出形式神經元的模型。由這種形式神經元再加上它們之間的一些聯絡規律（如訊號的單向傳遞性、只有興奮性和抑制性兩類聯絡及抑制性聯絡的否決權作用等），可以用數理邏輯方法描述各種神經網路的狀態和功能。對於這種結構固定的神經網路，在知道它的輸入事件後，可以推斷任意時刻後事件在神經網路中的表達以及神經網路的內部狀態。在麥卡洛克和皮茨的工作基礎上，S.C.克倫於1956年提出結構固定，時間離散和狀態有限系統中事件表達的理論，即有限自動機理論。60年代初，世界上有不少實驗室用電子管、晶體管制作模擬神經元功能的電子模型。這些神經元的電子模型，可以模擬神經元的一些主要特性，它對於單個神經元性質的理解，以及簡單神經網路的行為分析，有一定作用。

在神經元模型的基礎上，在特定形式連線下，對神經網路的特性進行了研究。利用計算機運算速度快，容量大和軟體靈活的特點，神經網路的理論研究中的數值計算部分，多在計算機上進行。1985年後，利用大規模積體電路技術，設計製造神經網路的電子模型。這類大規模神經網路的特性研究，常用來解釋腦電波產生的機制、迴響現象、節律產生的規律，以及用於神經計算機的研製。

由於神經系統極度複雜，無論從生物原型、從數學模型和電子模擬上研究，都僅能模擬神經系統的某些功能，而對於揭示大腦的本性還相差甚遠。因此，有些科學家首先選擇了低等動物比較簡單的中樞系統作研究材料，並期望這些成果能對高階神經中樞資訊處理的研究有所幫助。低等動物的神經系統，神經元數量少，有的個體大，行為模式簡單，所以研究比較清楚，E.R.肯德爾對海兔上千個神經細胞遂一加以標識，確定了它們的形態、位置和功能。對於海兔的一些反射性行為和學習記憶的神經基礎，取得重大進展。J.P.尤爾特發現橫放的黑色條形物做水平運動時，引起蟾蜍的捕食反應，豎放的黑色條形物作水平運動時，引起蟾蜍的逃避反應。他們詳盡研究了這種固定的視覺刺激模式引起刻板的行為反應的神經基礎，提出資訊處理過程和產生這種行為反應的神經網路模型。這類從動物的行為出發，結合神經解剖學和形態學，利用電生理學方法記錄單個細胞的活動，最後把產生這種行為的神經基礎搞清的方法（圖3），已形成神經科學的一個分支學科。

人類大腦的結構形態上是左右對稱的，但是在功能上並非對稱。多數人用右手寫字握剪，只有少數人才用左手。一般人的左右兩眼也不完全一樣，有一個是優勢。這些都是左右兩半球功能不對稱的外部表現。R.W.斯佩裡證明，人腦左右兩半球在處理資訊的內容和能力上是有分工的。左半球善長於處理抽象資訊，如語言、邏輯和數學，而右半球善於處理形象資訊，如藝術、美術等。

神經系統最大特點之一是在個體發育中和學習過程中內部結構可變。環境因素對神經系統結構和功能的影響，稱為神經系統的可塑性。可塑性在幼小動物身上表現特別明顯。小動物出生後的某段時間內可塑性特別大，稱為關鍵期。如貓的關鍵期是生後24～36天，猴是28～42天，人是4歲前後。對這種現象當前較為普遍承認的理論認為，學習和記憶時神經的突觸聯絡發生變化，文獻中常稱為赫布理論。1961年E.R.卡亞涅洛基於上述理論提出神經網路的記憶方程。E.R.卡亞涅洛延用形式神經元的主要內容，引入一個可變的突觸係數，突觸係數按一定的規律隨輸入而變化，從而實現學習和記憶的功能。按照突觸聯絡的不同變化規律和神經網路的不同結構方式，現已提出不同的學習理論和模型，如F.羅森布拉特的感知機，中野馨的聯想機，福島邦彥的認知機，T.科霍寧的聯想理論，J.J.霍普菲爾德的神經方程等。

近年來對複雜的神經系統的結構和功能的研究，先後提出I.普里戈任的耗散結構系統理論，H.哈肯的協同論，R.託姆的突變論。神經系統是一種典型的非線性、時變的複雜系統，因此，對神經網路的結構和功能的研究，將有助於瞭解對神經網路資訊處理的本質。

由於傳統電子計算機的侷限性，科學家正在大力探索神經系統處理和存貯資訊的特點（平行、集體、動態等特性），並試圖用電子器件實現這些功能。目前已開拓出神經計算機這樣一種高技術產業。