本单元的目的是让你了解 "唯物主义思想--大脑的成分"。您将深入了解神经元--大脑的基本构件/微芯片--的美丽和多样性。我们将重点介绍 1906 年获得诺贝尔奖的两位伟大解剖学家（拉蒙-卡哈尔和卡米洛-高尔基）之间的一场大争论。他们提出的问题是：神经元是一个单独的 "独立 "单元（就像其他组织中的其他细胞一样），还是它是连续体的一部分？接下来，我们将讨论作为输入-输出设备的神经元，并强调神经系统的一个关键特性，即神经元通过一种名为 "突触 "的奇妙装置相互连接。

在本单元中，我们将讨论 "电化大脑--被动电信号"。我们将说明神经元是一种电子装置，并了解神经元 "通电 "的原因。在这里，我们将只描述神经元的被动（与主动）电气特性。我们将说明，在静息状态下，细胞膜上的电位差在细胞内始终为负值（"静息电位"）；接下来，我们将说明细胞膜的行为就像一个电（电阻-电容）RC 电路，并强调 "膜时间常数 "的概念，从而说明神经元能够（及时）总结连续（突触）输入（"电记忆"）--这是大脑利用的一种基本机制。我们还将说明，当突触被激活时，它会在接收（"突触后"）细胞中产生模拟电信号（"突触后电位"，PSP）。最有趣的是，大脑中有两种类型的突触--"兴奋性 "和 "抑制性"--我们将讨论这两种相反的信号如何在接收 "神经元 "中相互作用。与描述性较强的前两课相比，本单元的技术性更强；我们鼓励不熟悉基本电学（电阻、电容、欧姆定律和基尔霍夫定律）的同学在本周讲座的资料链接中阅读相关内容。

在本模块中，我们将学习 "电化大脑--主动电尖峰"。在上一单元中，我们了解到1-神经元是一种电子装置；2-膜的行为就像一个 RC 电路；3-突触通过打开一个与电池相连的新的跨膜传导来运作。在本单元中，我们将着手讨论神经元的主动电学方面。突触输入是神经元的基本（输入）源，通常需要许多突触输入（兴奋性）相加（"时间相加"）才能产生一个高度（"全或无"）的输出信号--臭名昭著的尖峰（或 "动作电位"）。根据我们目前的理解，感觉、运动、情感等信息由一组特定的神经元 "发射 "这些尖峰信号。因此，你的大脑中没有电影或音乐，只有代表（编码）这些电影和音乐的尖峰。我们将重点讨论产生尖峰的膜机制，特别是霍奇金和赫胥黎的尖峰模型，这可能是神经科学中最基本、最美丽的模型。霍奇金和赫胥黎于 1963 年获得诺贝尔奖。

本单元讨论 "作为可塑/可变装置的神经元"。神经组织最独特的方面可能就是其不断适应环境变化的惊人能力；这种能力使我们能够学习和存储记忆。我们首先简要讨论大脑中的学习概念，然后强调支持学习和记忆的各种机制--引入 "神经元可塑性 "一词。特别是 "功能可塑性"，即改变现有突触的功效，以及 "结构可塑性"，即学习/记忆过程与解剖学变化相关--新突触连接的形成，以及神经发生--新神经细胞的诞生（是的，在成人大脑中也是如此）。此外，还将介绍一个能够捕捉功能可塑性某些方面的数学模型，以及与 "神经元可塑性 "有关的几个令人兴奋的新实验发现。

现在，您已经为成功深入学习本模块的主题--"电缆理论和树突计算 "做好了充分准备。我们已经准备好进行概念上的 "飞跃"，讨论一个引人入胜的话题。也就是说，神经元的解剖学和电子机械如何赋予神经元计算能力。计算线条的方向和运动的方向（在视觉系统中），或计算声音的位置或强度（在听觉系统中），以及计划抓起一杯咖啡的动作（在运动系统中），都是我们的大脑毫不费力地进行的计算。这些计算的成功对我们的生存至关重要。胡贝尔和维塞尔（1981 年诺贝尔奖获得者）的研究表明，猫的视觉皮层中的神经细胞对视觉世界中线条的方向非常敏感（方向选择性）。因此，当你观察周围的世界时，你可以 "利用 "这些细胞来识别一棵树的角度（垂直）和看着你的眼睛的角度（水平）。但是，神经细胞（以及整个大脑）是如何进行这些计算的呢？20 世纪 60 年代，威尔弗莱德-拉尔（Wilfrid Rall）将神经元视为电分布元素（而非 "点 "元素），并因此提出了 "树突电缆理论"--强调了支配突触电位（细胞输入）从其树突起源部位向体节/轴突（输出）区域扩散/衰减的原理。我们将看到，树突的缆索特性赋予神经元计算能力（如计算运动方向的神经元）。我们将讨论关于 "神经元硬件"--突触、树突、轴突及其携带的信号--如何实现基本计算的一些早期和最新理论观点。最后，我们将介绍一些最新的奇妙技术进展，这些进展使我们有史以来第一次通过实验验证了其中的一些理论观点。从讨论神经元的生物物理特性到强调神经元的计算功能，我们希望您会喜欢这种概念上的 "飞跃"。

本单元以第 3 单元至第 6 单元所学内容为基础：单细胞如何发挥作用，它们如何通过（可塑性）突触相互连接，以及它们如何执行特定计算。在这里，我们实际连接了一个神经元网络（使用 "蓝机超级计算机"），从而可以用数学方式模拟大型网络的活动（"蓝脑项目 "BBP，以瑞士洛桑 EPFL 为中心）。我们知道如何模拟单个神经元（霍奇金和赫胥黎模型）以及如何模拟突触和树突电缆（威尔弗莱德-拉尔模型），因此我们可以在计算机中连接神经元模型并构建逼真的网络。我们首先模拟了哺乳动物的新皮层，这是一种相对较新的进化结构（2 亿年前）。在每立方毫米的新皮层（如大鼠）中，约有 10 万个细胞、4 千米长的神经线（树突和轴突）以及约 1 亿个突触。如今，我们可以将实验数据（解剖学和生理学）与数学方法结合起来，接近模拟几立方毫米的新皮层的电活动和突触活动。我们将了解新皮层--包括它所包含的神经元类型--以及我们如何模拟如此巨大的神经回路。接下来，我们将讨论我们能从中学到什么，以及下一步的目标是什么。最后，我们将介绍最近宣布的欧盟旗舰项目--"人脑项目"（HBP）。人脑计划 "是 "人脑项目 "的种子项目，但 "人脑项目 "的范围更广，目标更远大，旨在开发治疗脑部疾病（迫切需要）的新方法，推动神经科学、脑启发计算和机器人技术的未来发展。

在本单元中，耶路撒冷希伯来大学的 Israel Nelken 教授将为我们带来一场特别讲座，讨论 "感知、行动、认知和情感"。到今天为止，我们主要关注单细胞和小型网络的功能。模块 8 涉及更高层次的计算，尤其是 "声音的故事"。听觉系统将声音转化为电信号。毛细胞、基底膜、耳蜗等都是大脑用来将外部世界转化为神经元活动的工具。下一步是感知--将感官信息处理成有用的表象。利用双耳线索定位声音就是一个很好的例子。感知会引导生物体采取行动--大脑会预测世界，并计算出能够获得最大回报和避免惩罚的行动。在出现意外的情况下会发生什么？这就需要更高层次的计算。在讲座的最后，我们将讨论情绪--情绪是什么，如何在大脑中体现，以及如何影响我们的行动。

还有一些 "高层次 "的引人入胜的问题，直到最近大脑研究人员才敢于提出这些问题。我们有自由意志吗？意识的主观感受又是什么？这些以往只在人文和社会科学领域讨论的老问题，最近在现代脑科学研究中获得了新的视角。新的认识带来了新的伦理问题（"神经伦理学"）--例如，我们能否直接从大脑中读取思想（"大脑测谎仪"）？这就带来了一个问题：我们每个人的大脑在表示和编码特定信息（例如我们看到的一张脸）方面有多相似？我们能否利用脑部扫描/探测器与昏迷者的大脑进行交流？是否有可能通过电刺激大脑来提高我们的能力（"增强认知"）？这些问题以及其他问题都将在本单元中为您一一解答。

在很短的时间内，你们已经掌握了大量的知识，我们非常希望你们能够享受这次通过利用大脑独特的可塑性能力来了解大脑的经历。 我们要感谢你们的积极参与，感谢你们让我们在课程中不断进步，感谢你们对我们的赞扬。