關鍵詞：生命科學;物理;問題
神經系統是結構和功能極其複雜的生命資訊處理系統。對神經系統的深人研究，將爲最終解決意識與思維之謎，開闢前進的道路。但是神經科學的發展，一刻也離不開現代物理學的理論與方法的先導和支援。從生物物理學的角度出發，着重介紹生物神經網絡的構成與執行特徵，並進一步探討將現代物理學中的某些理論和方法，應用於神經科學研究的可能性。
關扭詞生物神經網絡，神經資訊雙重編碼，高維資訊編碼空間，分形與分維，正電子斷層圖在自然科學的研究領域中有四大疑難問題，亦可稱之爲四大謎，即:(l)物質結構之謎;(2)宇宙起源之謎;(3)生命過程之謎;(4)思維本質之謎。
物質結構和宇宙起源問題屬於物理科學的研究範疇，而生命過程與思維本質的研究則屬於生命科學的範疇。20世紀是物理科學取得輝煌成就的世紀。在微觀和宇宙觀方面，人們對物質結構和宇宙起源的認識，比起上一世紀，已取得飛躍的進展。科學家預言，21世紀將是生命科學的世紀。不同領域的科學家將共同努力，爲解決生命過程之謎和思維本質之謎開展協作研究。
從歷史上看，生命科學的發展一直依賴於物理科學的進步。現代物理學中的新概念、新理論和新方法對生命科學的研究，對揭示生命複雜過程的機制，起着關鍵性的先導和啓示作用。1933年著名的量子論奠基人波爾田在他的講演《光與生命》中即提出用量子力學的方法研究生命科學的觀點。另一位量子力學創建人薛定愕圖在他的著名論述《生命是什麼》一書中，即明確提出生命依賴於負姥的觀點，並預言，生命的資訊即存儲於非週期性的晶體之中。正是由於波爾和薛定愕等理論物理學家的倡導，一批優秀的物理學家轉人生命科學研究的領域中來，導至DNA雙螺旋結構的發現。1954年著名的理論物理學家，大爆炸理論的創始人伽莫夫以其天才的預見，提出核昔酸三聯密碼的理論[31。遺傳密碼的發現使生物學家掌握住理解生命活動規律的鑰匙，爲分子生物學的發展，奠定了堅實的基礎。
至於闡明意識與思維活動的奧祕，問題顯然是更加困難得多了。這是因爲大腦是結構和機能極其複雜的非線性系統，它不單是認識的主體，而且也成爲認識的客體。因此單純依靠用生物學的觀測與實驗方法，是很難理解整個大腦神經網絡的工作原理和活動規律的，這就必須藉助於現代物理學的新概念、新理論和新方法，建立研究腦工作原理的新的理論體系和新方法，才能解決生物神經網絡所遇到的複雜性難題。
80年代初期，H叩field[4J根據物理學中的“自旋玻璃”(spinglass)的相互作用理論，建立了具有廣泛迴路的人工神經網絡理論。他還首次引人計算能量函數的概念。Hopfield應用Issing的自旋玻璃系統理論證明，計算能量是有界函數，而且在狀態空間中有局域極小值，這是聯想記憶的基礎。
人工神經網絡理論和研究方法的出現，給生物神經網絡的研究帶來了新的衝擊和希望。人工神經網絡中的突觸連結強度的動態調整，並行處理的計算原則，資訊的分佈式存儲和按內容尋址，網絡能量函數局域極小值的形成和演化，神經網絡的穩健性(robuso與高度容錯性，非線性連結的高階神經網絡特性，突觸和突觸之間的相互作用，自學習、自組織和自適應以及具有聯想記憶的功能等，都和腦的工作原理十分相似。因此，認真結合生物神經網絡的特點，充分利用人工神經網絡研究中的新成就以應用於生物神經網絡活動規律的研究中來，成爲當前神經科學的前沿領域。
一、生物神經網絡的特點及其與人工神經網絡的比較
大腦的結構和功能雖然十分複雜，但卻是由一種主要的元件組成。組成大腦的基本單元稱爲神經元。100年前，著名的西班牙神經學家卡哈爾(Caial)首創神經元學說(neuronedoctrine)，他認爲神經系統是由神經元組成，神經元是神經系統的結構單元和功能單元。神經元之間以突觸相互連結，組成複雜的生物神經網絡。神經元學說奠定了大腦結構的物質基礎，是神經科學發展的重要里程碑，卡哈爾亦因此而榮獲諾貝爾獎。人腦約有10”一1011個神經元。神經元的大小和形狀差異很大，但其主要結構都是由三部分組成，即胞體、樹突和軸突。樹突比較粗短而且反覆分支。在功能上樹突和胞體是神經元的感受和整合(integration)部位。樹突和胞體接受外界或來自其他神經元的傳人資訊並加以整合，再傳導至軸突。軸突的長短不等，有的.神經元軸突很短，只有幾微米;有的很長，超過一米以上。軸突發出多個側支，最後反覆分支形成複雜的神經末梢。其終末部分膨大，與其他神經元建立突觸聯繫。突觸的數目很多，據估計人類大腦皮質的一個神經元可有多達103一10‘個突觸。突觸是兩個神經元之間的功能性接觸部位，由突觸前膜、突觸間隙和突觸後膜三部分組成。突觸後膜上有許多神經離子通道。離子通道是生物的納米級微電子器件，是由蛋白質大分子組成的特殊單穩態觸發微電路。Hodgkin和Huxley提出的離子通道理論，是神經科學發展的又一重要里程碑，它使神經科學的研究，紮實地建立在神經分子生物學的基礎之上，並因此而被授與諾貝爾獎金。離子通道分子的直徑一般爲10nm左右，可分爲受體和孔道兩部分。受體是和某些特殊的神經活性物質結合的部位。孔道的直徑約爲1一Znm，平時處於關閉狀態。當神經遞質和受體的位點結合之後，通道即呈短暫的開放，讓離子透過，但開放時間一般只有數毫秒隨後又重新關上。離子通道開放時，透過的電流很小，只有10一uA數量級。物理學家Neher和Sakmann創建了測量單個離子通道電流白刨漠片低位(Patchdamp)方法，並因此而獲1991年諾貝爾獎。離子通道與神經遞質的結合有高度特異性;另外，通道對離子的透過亦有選擇性，可分爲鈉通道，鉀通道，鈣離子通道，氯離子通道等。離子通道的觸發輸人可以是化學控制，亦可以是電壓控制。大量的各種不同的離子通道分佈於佔神經元總面積90並的樹突複雜分支的表面，既有空間分佈的排列複雜性，又有多種化學資訊編碼的複雜性。所以，一個神經元實際上是包括107個微觸發器(離子通道)組成的集成生物電路元件，其複雜性可想而知。
根據以上所述，生物神經網絡是以水爲基質，並以鑲依在雙層脂膜表面的離子通道蛋白分子、離子泵、神經遞質(neurotransmitter:)。神經調質(neur二odulators)以及基因資訊系統等有序的資訊大分子組成的液態分子資訊器件。它和以硅爲基底，由有序的PN結，電阻和電容等元件組成的固態微電子集成電路的人工神經元網絡有很大的不同。特別是生物神經元內部的生物資訊大分子，經常處於合成和分解的動態過程之中。一般的蛋白質分子的半壽期不過數分鐘到十多分鐘。所以形象一點來說，生物神經網絡的元件是邊生產，邊組裝，邊拆卸。這種邊建邊拆的過程一旦停止，生物神經網絡即隨之解體，不復存在。指揮這一生產流水作業線的機構是神經元內部的基因調控系統。一般認爲，人類的結構基因共有10萬種，大多數的細胞在正常功能狀態下只有少數(幾種至幾百種)基因處於活動狀態。唯獨神經元
約有三萬種基因經常處於積極的功能活動狀態。由此可見，神經元絕非簡單的開關元件，而是具有豐富的內源資訊和進行復雜資訊存儲與胭工的元件，這正是生物神經網絡不同於人工
神經網絡的主要特徵。
二、生物神經網絡是資訊增殖系統
物理系統一般可分爲三類，即孤立系，封閉系和開放系。與外界環境既無物質交換亦無能量交換的系統稱爲孤立系。只有能量交換而無物質交換的稱爲封閉系。同時與環境有物質交換和能量交換的系統稱爲開放系。生物系統顯然屬於開放系統，它與環境既有物質交換、能量交換而且還有資訊交換。生物系統遵守質量守恆和能量守恆法則。如果系統的物質輸人流大於其輸出流，則一部分物質將逐漸在系統內部積存，這樣的系統屬於增殖系統;如果輸出流大於輸人流，則系統將逐漸衰減。在一般情況下，生物系統的總質量，大致是圍繞穩態平均值作節律性波動。但在生物系統的物質輸人流中，相當大的一部分是結構比較複雜的蛋白質(氨基酸)、碳水化合物(單糖)、脂肪和其他營養素，而輸出的只是經過代謝以後產生的簡單物質，如水、二氧化碳及含氮的廢物(尿素、尿酸等)等。所以，人體的物質輸入流並不單純在於補充物質的損耗，而且也附帶輸人可供利用的化學自由能和複雜結構的資訊流。綠色植物則是另一種情況，它是利用環境輸人的能量流(光子流)經過光合作用將簡繭的物質轉變成結構複雜的物質。生物系統利用環境輸人的物質流和能量流，依賴其內部的自增殖、自複製的代謝機理，使系統的結構複雜性和機能的複雜性不斷增加，這就是資訊的增殖系統。看來，資訊的量並不存在守恆法則。我們認爲，質量是物質存在數量的量度，能量是物質各種形式運動數量的量度，而資訊則是物質存在形式的複雜性和運動複雜性的量度。結構愈複雜，運動過程的形式愈複雜，則系統的資訊量也愈大，按照薛定愕的說法就是負嫡增加。大腦是結構和機能極其複雜的生命資訊處理系統。外界的資訊流，可以透過兩種方式輸人神經系統:一是透過物質流輸人的結構資訊，二是透過能量流(例如光波和聲波)作用於感受器的輸人資訊。生物神經網絡的內源資訊也有兩種方式:一是結構複雜性的資訊，包括神經網絡的構成和聯結的資訊。另一種是生物神經網絡透過學習，自外界獲取各種資訊，同時也可透過思維產生新的資訊。這些資訊可以進一步記憶而存儲，也有相當一部分因千擾與遺忘而逐漸消失。所以，生物神經網絡是能產生新的資訊的生物資訊增殖系統。我們預期，物理學中的非平衡態熱力學、耗散結構理論、非線性複雜系統理論等，將在研究生命資訊系統方面發揮巨大的推動作用。
三、生物神經網絡資訊的載體與編碼
當前生命科學的發展趨勢是朝着最基本的分子生物學和最複雜的神經生物學的兩極發展。正如核昔酸三聯密碼的發現，奠定了分子生物學的基礎那樣，我們認爲，攻克大腦“思維之謎”的關鍵是弄清大腦資訊的存儲載體和大腦資訊編碼方式這兩個最基本的問題，使腦資訊加工機理的研究建立在客觀與定量的基礎之上。但有關這方面的問題，我們仍是一無所知。
學習和記憶是人類大腦的重要功能。記憶是將學習取得的資訊加以存儲，並能根據需要將記憶的內容加以回憶和重現。目前普遍認爲，海馬是學習和記憶的關鍵部位。海馬是大腦深部的一個特殊結構，形狀和中藥的海馬的形狀十分相似，故名。PhelPs閉應用正電子斷層圖(positronemissiontomography，PET)的觀察證明，正常人在積極進行記憶活動作業時，海馬的葡萄糖代謝率明顯增高，直接證實了海馬的記憶功能。我們的研究表明國，海馬的神經元呈規則的六角形點陣(hexagonalarrays)排列，且具有很豐富的返回側支，形成複雜的神經迴路網絡，其結構和H叩field的人工神經網絡十分相似。海馬還有特殊的苔狀纖維突觸集羣，這是大腦其他部位所沒有的特殊的突觸結構。一個突觸集羣最多可包含十多個突觸，這些突觸相互聯繫，相互作用，組成高階的神經網絡。高階神經網絡不僅功能更加複雜，而且還可大大增加資訊的存儲容量。因此我們認爲，海馬的苔狀纖維突觸集羣，很可能是生物神經資訊的主要載體，是記憶的物質基礎。