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第七十九章神经系统的网络美(1 / 1)

神经系统是我们对外界各种刺激产生反应,并且由于这种反应与外界形成反馈的生理基础,如做梦,如因为饥饿而产生的进食冲动和行为都是其于神经系统的选择性表达。本质上可以理解为一个图灵机,基于一定输入进行一定的函数运算然后产生一定的输出。

神经系统可以是神经细胞的化学信号和电信号的选择性组合的形成的复杂图灵机。其与不同器官组织细胞的的交互也是一种运算。

通过不同层级的神经系统的响应能够最终在高维的大脑活动产生一定的感觉,这个过程我们认为是如同贝叶斯推断的过程,如一只昆虫在大腿皮肤爬来爬去在我们大脑层次产生的清晰的感觉是通过多层次的信息推断,如皮肤的环层小体的分布,可以形成精确的感觉,这是一个信息整合的过程。这是多路径的可能,即我们对于同一刺激可以采取不同反应。

神经元是一种不动点。而神经胶质细胞是一种对不动点的靶定。后者有小胶质细胞(免疫)、少突胶质细胞、室管膜细胞、卫星细胞等等的分布分化。多级神经元,假单级神经元等等都是神经元的一种分化,其组合可以形成一定的高维结构,如同各种环路,我们认为这种环路可以形成的复杂结构是一种分形结构

具体的运算,电信号是如同计算机的运算基础。其大规模的运算是如同图灵机的运算,只是从纸带的运算变成各种通道蛋白的开启/关闭运算(与正负电位变化相关),是比较绝对的1/0变化。本质上各种钠、钾离子的浓度变化就可以理想化为各种计算。不同的通道蛋白的开启机制不同形成一定的互补,如电压门控通道和配体门控通道。水通道蛋白等等也可以这样一种补充。动作电位的全或无机制就是一种运算。

局部电位的变化可以促发隔壁的通道蛋白的构型改变。超级化和复极化是同时进行的,只是不同部位进行。刺激的强度与频率相关,如同光电效应。

突触的形成是比较结构化的,电突触是先于化学突触,是初步刺激;而化学突触是更为精确的连接,使用神经递质;只是可以转换的,电信号可以转换为化学信号。但神经元有抑制性和激活性,这是基于通道蛋白的选择性表达的结果。当然神经递质和受体的结合的快速降解是基本的如同图灵机的状态改变的运算。化学神经递质是突触形成的一个机制,即通过受体对神经递质的敏感性的改变来诱导神经细胞的各种基因蛋白表达从而表现为各种神经细胞的形态改变,最终能够在整体层次形成真正的系统,这需要不同的信号的交互。这是多层次的,既有神经和肌肉的激活和反向激活(参见神经性萎缩),也有中枢神经系统和外周神经系统分布,后者可以分为交感神经系统和副交感神经系统。

外周神经系统是中枢神经系统对外界认知的途径,是产生各种真实感的基础。各种感受器是其作用的基础,各种电冲动和化学冲动是其作用机制。这种层次的遍历可以形成反射弧这种高维结构,可以形成一定的竞争博弈,最终能够达成一定的均衡状态,如肌肉是不能过度收缩的。

自主神经系统是如同潜意识的底层,能够持续地作用于全身的器官,肌肉,腺体,从而使得其对环境的适应度最大。如改变温度、改变血管内径、改变心率和各种分泌液的分泌。这是交感神经系统和副交感神经系统所共同作用的结果,这启发我们不同层次的博弈的模型对网络模型构建的想法。其中交感神经系统是偏向激动机体应激反应,副交感神经系统是偏向于抑制交感神经系统的各种效应,当然这并不绝对,实际上这是耦合的,即存在一定的共通的结构基础。结构的耦合产生拮抗作用,与互补的结构特点是对应的。

交感神经系统:应激,起源于脊髓胸腰段,对器官的功能进行快速的调节,神经节形成及在脊髓两侧,节前纤维比节后纤维短,范围作用广泛,神经递质

副交感神经系统:缓和,颅骶骨段,神经节形成及靠近效应器,节前纤维比节后纤维长,作用范围比较局限

具体的反应是这种交感神经系统和副交感神经系统形成的博弈竞争矩阵选择性的表达。这种多层次的竞争博弈最终形成的均衡是我们所能够感受到的神经系统的美感,因为其能够形成非常精确的作用序列,对机体内部的各个层次有选择性地激活/抑制,最终能够形成特定的效应,如应激时能够激动机体肌肉运动,快速逃离险境。当然在这个高维层次也存在一定的博弈,即生死攸关的情况下和一般的紧张情况下毒手激活系统的反应,因此紧急情况下的救命必备系统(交感神经系统)在一般情况下会对机体造成不良影响(经常处于应激状态对寿命的影响很大),这是不可避免的,毕竟你不能让马儿跑又要马儿不吃草(对所有压力可以产生比较一致的生理反应)。我们最后形成的均衡就是在长远的寿命和近期的危险逃离中选择一个中间值。同时我们还需要注意到副交感神经系统这个层次也同样存在着一定的竞争博弈。

那我们就继续谈论低维层次的博弈竞争。交感神经系统的应激状态对机体是有利有弊,这是多层次博弈达成的均衡(交感神经系统内部),从而允许其选择性地发挥作用。这种作用的发挥是网络整体效应涌现的基础,如危险时考虑的是逃离(运动系统的激活)而不是消化等等系统的继续工作。这种机制其实体现于多层次,即局部最优是我们根据有限信息做出判断的常用方法,这对于我们的短期生存有着极大的帮助,而且可能对长期生存也起到一定的积极作用(局部最优有比较大的概率比较整体最优),所以动物世界的生物每天只考虑度过今天,就足够繁衍下去。因此,交感神经系统能够做到短期的局部资源配置,这是一种局部最优。当然不能长久,这是博弈达成的均衡。

结构层次:1交感神经系统:应激,起源于脊髓胸腰段,对器官的功能进行快速的调节,神经节形成及在脊髓两侧,节前纤维(乙-酰胆碱)比节后纤维(去甲肾上腺素)短,范围作用广泛,神经递质

2副交感神经系统:缓和,颅骶骨段,神经节形成及靠近效应器,节前纤维(乙-酰胆碱)比节后纤维(乙-酰胆碱)长,作用范围比较局限

神经递质和激素的分布和作用部位及效应的分布也是一种博弈竞争的结果。因为神经递质产生的效果可能与激素的影响相同或者相反,而且这是不确定的,是基于特定部位的受体的分布所作出的选择性变化。而且激素内部也存在一定的竞争博弈协调等等效应,从而调节我们的各种生理周期如睡眠等等。其中神经递质和激素的耦合在于去甲肾上腺素,这种物质由神经细胞分泌和肾上腺分泌可以在不同的部位产生不同的效应。

而神经系统的美很大程度体现在各种神经递质和激素的作用的竞争博弈和最终达成的均衡是选择性变化的。我们需要以高维的视角来理解,不然就会出现很多看似矛盾的现象:相同的物质可以产生不同的效应甚至相反的效应,不同的物质可以产生相同的效应。这与特定的物质和特定的受体结合相关,即这种相互作用的关系是我们理解的高维关系。最清晰的例子是不同部位的血管的α受体和β受体分布,其选择性激活最终产生的效应的选择性表达就是我们宏观层次观测到的效应。如应激情况下骨骼肌的血管舒张。而这些效应是可以由神经递质和激素的共同作用得出的,即其具体的效应是神经递质和激素的竞争博弈达成的均衡。这是机体的多层次博弈使得我们能够维持机体的内稳态,毕竟多机制可以作为保险,这也是网络的分化分布。其竞争博弈形成的均衡可以在宏观的层次表现出拮抗和协同的效果。神经递质和激素的作用对比与交感神经系统和副交感神经系统的作用对比具有一定的相似性。

交感神经系统通过同时激活和抑制相同的系统来发挥作用,这是一种选择性表达,与机体利用交感神经系统的机制来规避危险和对寿命产生影响是一致的。这种竞争博弈能够形成的具体路径是我们为之倾倒的神经之美。具体一个例子是应激状态下,全身血管是有选择地收缩(胃肠道,多α受体)扩张(骨骼肌,多β受体)的,这又与特定部位的受体分布模式相关,α受体激活(与去甲肾上腺素或者肾上腺素结合)收缩血管,β受体激活(与去甲肾上腺素或者肾上腺素结合)舒张血管。

我们机体内部存在的多层次的竞争使得我们最终能够保持良好的生活内环境,这是通过底层的各种可能矛盾的机制最终在高维层次体现的是比较稳定的不动点/纳什均衡。这种作用的叠加可以参考傅里叶级数,其具体的表达模式具有的意义是一种模式涌现,即各个层次的选择性表达,从而反过来在宏观层次表现出良好的适应能力。

然后来到比较宏观的竞争博弈的对象,副交感神经系统。其是在神经系统这个层次与交感神经系统形成的耦合对。如心脏跳动同时受交感神经系统(加快心率)和副交感神经系统(降低心率)的调节,其最终维持的心率就是竞争博弈形成的均衡,从而能够对当前的环境有最大的适应度,平静状态维持比较低的水平,紧张情况能够加快心率从而提供激烈运动的营养支持。我们认为这种均衡形成的序列就是机体网络内部形成的最佳适应度函数,这与退火异曲同工。而且我们的机体的很多功能都需要在一定的平衡状态才能进行,如内环境的稳态,还有其他层次的平衡。这种选择性表达的序列使得我们能够进行高级的功能,如****,因为我们需要大脑环境的平静和身体的特殊部位的激动,这是交感神经系统和副交感神经系统耦合表达的结果,可以视为马尔科夫序列的概率性表达为各种状态。看似矛盾,其实是一种高维的视角在现实的体现。在结构层次交感神经系统和副交感神经系统的耦合体现于分布,神经递质的种类,激动的效应等等最终使得功能层次的均衡达成成为可能。

我认为神经冲动是普遍存在的,具体的事件发生只是激活神经产生比较明显的效应即超过阈值激发的电效应,而具体的神经细胞的结构维持可能就需要低于阈值的神经冲动来保证。因此具体的神经冲动的发生是一种模式的涌现,如同冰山一角,可以理解为各种配置使得机器正常工作。其中一种重要的例子是迷走神经,其能够传递周围神经系统的感觉信息到大脑,并且能够将大脑的的传出信息在与其相连的器官表达。

在这个基础上,我们理解反射弧的信息流动需要神经递质的释放和分解,还有电信号的传递。

也可以视为是网络的分布和分化,交感神经系统和副交感神经系统可以视为一对正交基,其选择性表达就是如同傅里叶变换一样,能够以一定精度逼近有意义的表达模式。我们参考信号处理的数学思想来理解可能具有一定的实用价值,我们能够将其继续分解为神经递质和激素的分泌,不同受体的激活及其效应(这也是选择性表达的,α受体激活收缩血管,β受体激活舒张血管,而具体的不同部位的α受体和β受体存在不同的分布模式即比例,因此相同的处理因素在不同的部位可以产生相反的效应如去甲肾上腺素能够扩张骨骼肌的血管和收缩胃肠道的血管)。因此本质上层次的博弈思想其实是线性代数的一个等价的描述。

以上是不是让人产生多层次耦合的美感?这还体现于肌肉系统的肌肉及其拮抗肌,不仅仅使得人体维持在比较好的状态,还能够使得精细动作的发生成为可能,参见我们手指可以做出的灵巧动作。这是一种网络的拓扑性质,我们的生理系统都应该具有这种相似性,从而我们认为在大脑的中枢神经系统的各个核团、大脑分区也存在相似的关系。这是一种分形结构所具备的层次相似性。

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