神经细胞的结构、功能与模型：详细解析及应用

一个神经细胞（又称神经元）由细胞体、树突和轴突组成，其结构如图6.7所示。细胞体由细胞核、细胞质和细胞膜组成。细胞体外面的一层厚为5mm～10mm的膜称为细胞膜，细胞膜内有细胞核和细胞质。树突是细胞体向外伸出的许多树枝状的长为1mm左右的突起，用于接收其他神经细胞传入的神经冲动。

图6.7　一个神经细胞的结构

神经细胞具有两个重要特征：一是细胞有选择的通透性；二是突触连接的可塑性。

每个神经细胞通过细胞膜将内外部隔开，使细胞体内、外有不同的电位。我们把没有输入信号的膜电位叫作静止膜电位，约为-70mV。当有输入信号（即其他神经细胞传入的兴奋信号）时，膜电位比静止膜电位高出15mV左右（即高于-55mV），该神经细胞就被激发，在1ms内膜电位比静止膜电位高出100mV左右，形成一个兴奋的脉冲信号，具有突变性和饱和性，如图6.8所示。

图6.8　神经细胞的兴奋脉冲

细胞膜有选择的通透性使神经细胞具有阈值特性，即

其中y表示神经元的输出；u是神经元的膜电位；θ是阈值，它不是一个常数，随着神经元的兴奋程度而变化。(www.xing528.com)

神经元之间通过突触相连接，如图6.9所示。突触是一个神经元轴突末梢扣结和另一个神经元树突或细胞体之间的微小间隙，直径为0.2～2μm。突触是两个神经元之间传递信息的“接口”，突触的结合强度可以根据输入和输出信号的强弱发生可逆性的变化，因此，神经元具有长期记忆和学习功能。

图6.9　神经元之间通过突触相连接

从信息处理的角度看，神经元是一个多输入单输出的信息处理单元。一个人工神经元的形式化结构模型如图6.10所示，其中x1，…，xn表示来自其他神经元轴突的输出信号，w1，…，wn分别为其他神经元与第i个神经元的突触连接强度，ui表示神经元i的膜电位的变化，θi表示神经元i的兴奋阈值，yi表示神经元i的输出。

图6.10　神经元的形式化结构模型

神经元i信息处理的过程可描述为

其中Si表示神经元i的状态，g（·）表示活性度函数，f（·）为输出函数。常用的输出函数有单位阶跃函数、符号函数、S型函数、双曲正切函数和高斯函数，这些函数具有突变性和饱和性，用以模拟神经元兴奋产生神经冲动性以及疲劳等。