Computational Neuroscience The mathematical theory of our brain Lecture 1 神经元的整合发放(IF)模型 2020年计算神经科. 号：983068756 ▣动 Daqing Guo/郭大庆 dqguo@uestc.edu.cn Department of Biomedical Engineering, School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China Before the course 讲授内容： Neuronal >神经元：电特性、数学模型、动力学分析方法 Dynamics >突触：数学模型、突触可塑性（与学习有关） >神经噪声：噪声源、神经元的随机动力学 >神经元网络：拓扑结构、神经计算、神经元编解码基础 http://neuronaldynamics.epfl.ch/online/index.html 考核方式： >课程设计：50% 神经网络模型的构建 >平时成绩：50%，出勤率、作业 程序语言 Matlab/Python 先行课：神经科学基础知识、数值计算、非线性动力学、微分方程
Content 0 Simple Introduction 1.1 Neurons and Synapses: 1.2 The Passive Membrane(被动膜) -Linear circuit Dirac delta-function 1.3 Leaky Integrate-and-Fire Model 1.4 Generalized Integrate-and-Fire Model 整合发放模型 1.5.Quality of Integrate-and-Fire Models Introduction 《埃德温·史密斯纸草文稿》 古埃及：人类最早关于脑的文献记录 埃及医师伊姆霍特普(Imhotep)一公元 前2600年 纸莎草纸(Papyrus)一公元前3000年 --- 盒N 脑：brain (古埃及象形文字) 于公元前1600-1700完成的纸草文稿，手稿第一位已知持有者埃德温·史密斯(1822-1906)
Introduction 古罗马：神经输送脑脊液至身体外围 盖伦认为： ●脑的深处是一个由相互连通的腔组成 的迷宫，内含无色的液体，即脑脊液。 神经(nerves)输送脑脊液至神经的外围 部分。最早描述了脑萎缩。 ●灵气学说：脑中的精气决定运动、感 知和感觉。心的活气控制体内的血液 古罗马医生盖伦Galen 和体温。肝的动气控制营养和新陈代 (公元129-199) 谢。 √对灵气说的否定：意大利维萨留斯，发现不同动物的脑没有本质差别，不足以说 明动物之间在智力水平上的悬殊差异；英国威廉哈维，建立了血液循环理论等。 Introduction 加伐尼与伏特：神经电，挑战生物神圣的概念 加伐尼 (Luigi Galvani, 1737-1798别 伏打 Alessandro Volta (1745-1827) 修正观点：电流油不 提出神经中有电流，认 同金属，在青蛙体液 为电建立了活力和生命 中产生的金属电位差 之的密切联系，电是生 所导致。建立了伏打 命之力。 电堆，证明电可以代 替人的灵气使肌肉收 加伐尼时代的电生理实验室 缩
Introduction 神经元学说的创立 高尔基首创了铬酸盐-硝酸银染色法，看到少 C.Sherrington谢灵顿（英） (1857-1952) 数神经元和神经纤维，可重复性差。卡哈尔 改进建立稳定性好的还原硝酸银染色法，可 看到突起，显示了神经元的完整结构，发现 R,Cajal卡哈尔（西班牙）神经元之间没有原生质联系，推断神经元是 (1852-1934) 现代神经科学之父 整个神经活动的最基本单元。 神经元学说： 证 >神经元是相互独立的， 由胞体和突起 (树突、轴突)组成： 之.神经元是神经系统基本结构单位： 神经元之间只接触，并不相连接 神经冲动单向传递信息： 突触的概念 Introduction:Powerful nerve system 膝跳反射回路 神经响应 Sensory 四头肌（伸肌） Hammer tap neuron Muscle 里 Quadriceps spindle (extensor) Sensory neuron Motor neuron (extensor) Interneuron flexor】 Motor neuron 二头肌（屈肌）】 Inhibitory (flexor） Extensor F月lexor interneuron motor motor neuron neuron Leg extends 伸肌 收缩 运动神经元 肌梭 感觉神经元 抑制性 中间神经元 敲击 1舒张 屈机 运动神经元
Introduction a购 hamster increasing,but can we stop? 0.176g0.347g 0,418g 1.020g 0.802g 1.802g 0.999g 36M 52M 7 90M 131M 200M 204M guineap 3759g 7.78g 240M 18,.365g 10.15a 634M 1573g 857M 936M 1468M 30.22g 50000 neurons 76.036g 3246M 53.21g 1600M 3590M 10000 synapses/neuron 4 km wire 87.35g 6376M 1508g 86000M Suzana Herculano-Houzel,Front.Hum Neurosci.,2009 Introduction 计算神经科学的创立 用计算机模拟脑功能 应用数学、物理等理论理解脑 理解大脑的计算能力 霍奇金与赫胥黎1962 Nobel Terry Sejnowski Christof Koch Patricia S.Churchla The Appllcations 1988年正式提出 Artificial Neural Networks. Chip Design (Computer Viion,Robotics) Computational Neuroscience The World TERKENCE J.SEINOWSKI,CHRISTO KOCH,PATRICIA S.CHURCILAND (Problems) 谢诺沃斯基 科赫 丘奇兰德 CNS Comnitive Scionces The Methods Electro.Biochemistry Neuro The Brain (Substrate Physics Chemistry Biology d (Fundament)