腦動力學 王敏生 中央大學物理系

腦如何處理訊息？

組成：1-2仟億個腦細胞 1-5百億個神經細胞 膠原細胞

結構：腦幹、小腦、大腦 腦幹：腦最早、最原始的部分，約五億 年前演化成，掌管維生系統(不需 經過思考而做的動作，如心跳、 呼吸、消化、血液循環等)、早期 感覺系統、行動、情緒、體溫、 血壓、飢、渴、性、內分泌、身 體生長速率、記憶處理等。 小腦：掌管肌肉協調性。

大腦：腦最新、最大的部分，佔腦全部質量的85%。數百萬年前他只是處理視覺和嗅覺的器官，用來讓動物尋找食物和避開敵人。隨後在兩棲類，它逐漸長出一層表皮，稱為皮層。隨著演化動物愈聰明，皮層也愈長愈大，但腦殼隨演化長大的速率沒有皮層快，皮層為塞到較小的腦殼內，就折疊成皺折，稱為迴轉。皮層約有2-4 mm厚，覆蓋整個頭，若攤平面積約有2500cm2。

大腦分為左、右兩半，分別稱為左腦和右腦，以神經叢連接。左腦較右腦擅長解析，而右腦較左腦擅長想像。對多數人左腦主管語言、線性和次序性(一次一步)思考、文學思考、邏輯思考、數學思考(數和它們間之關係)、推理和解析。右腦主管同步處理(同時處理不同信息，得到全盤圖像)、想像、顏色、音樂、韻律、情緒、形態之關係、空間感、直覺和隱喻。

額葉腦：負責運動技巧(包括說話)和認知功能。 (1) 腦的運動中心座落在額葉腦的後端，它接收來自頂葉腦的運動感應，以及發出運動命令。 (2) 左額葉腦有個區塊叫”帕卡區”(Broca’s Area)，能控制肌肉來處理說話上的發聲功能(嘴巴, 嘴唇和喉頭)，所以此區塊受傷的人，會有所謂的失語症現象，他能了解別人對他所說的，但他卻無法講出有意義的話或是發出合適的聲音。 (3) 其餘部份主要在處理如思考、記憶和學習的功能。

頂葉腦：處理和接收所有來自身體觸覺神經的感應，例如觸摸和疼痛。在頂葉腦的尾端，有一個區塊叫“溫尼克區” (Wernicke’s Area)，是解釋來自和語言有關的視覺和聽覺資訊。若是此區塊受傷 ，會產生所謂的失覺症，也就是他無法了解別人所說的意思，但卻仍能說話。

顳葉腦：負責處理來自耳朵所收聽到的聲音資訊，並且將它連結至頂葉腦的“溫尼克區”以及額葉腦的運動皮質上。 枕葉腦：負責處理來自眼睛所接收到的視覺資訊，並且將它連結至頂葉腦的“溫尼克區”以及額葉腦的運動皮質上。

大腦功能來自於腦神經元(神經細胞)的活動 神經元的形狀和一般細胞不同 神經元由細胞體(cell body)、軸索(axon)和樹狀突(dendrite)三部分構成，樹狀突傳入訊息，軸索傳出訊息。

神經元網路

信息傳遞 電訊號---神經元內部：動作電位(action potential)，細胞膜內外電位差的變化。 化學訊號---神經元之間：神經傳導物質(neurotransmitter)、內分泌，控制訊號的傳遞，腦具有學習能力的機制。

電訊號---動作電位 細胞膜上的離子通道(由蛋白質構成)控制細胞膜內外 、 、 、 等離子之濃度。 細胞膜上的離子通道(由蛋白質構成)控制細胞膜內外 、 、 、 等離子之濃度。 鈉-鉀離子幫浦將3個鈉離子抽出細胞外，將2個鉀離子抽進細胞內⇒細胞膜外帶正電，細胞膜內帶負電⇒細胞膜內電位較細胞膜外低。 以細胞膜外之電位為0，神經元處於休息狀態時細胞膜內之電位為-70mV。 神經元發火時，鈉離子通道打開，鈉離子自細胞外進入細胞內，細胞膜內之電位升至+40mV形成動作電位。

動作電位---細胞膜內外電位差之變化

動作電位的大小和形狀固定。 訊號的強弱反應在單位時間產生的動作電位數目，訊號越強，單位時間產生的動作電位數目越多。 抵達軸索丘的訊息強度超過臨界值時，沿軸索產生動作電位，稱為發火。 神經元每秒鐘最多只能產生1000個動作電位。 大腦對訊息的處理，由一群神經元同步活動達成。

化學訊號---神經傳導物質

神經科學---依尺度(複雜度)分類 分子神經科學---各種分子在神經元中之角色。 細胞神經科學---神經元間之差異、互相影響、連結、運作。 系統神經科學---神經元網路之運作，如視覺、味覺、肢體運動。 行為神經科學---不同神經元網路間之統合形成之行為。 認知神經科學---腦功能，認知、學習、記憶、決策。

如何獲取大腦活動訊息？ 非侵入性方法 (1) 電磁訊號 腦電圖(EEG) 腦磁圖(MEG) (2) 血液動力學 正子造影(PET) 功能性磁共振造影(fMRI)

EEG MEG

EEG/MEG 易受雜訊干擾 逆問題的解不是唯一確定。 分布源模型：頭以n個格點佈滿，每個格點3個源 (x, y, z方向)，頭皮外m個量測位置。 b: m個量測數據，m  1矩陣 s: 源強度，3n  1矩陣 A: lead field matrix，m  3n矩陣

無約束條件，所有可能解之平均為minimum norm pseudoinverse (MNP) 純粹從電磁訊號得到的解。 點源產生的訊號，其MNP在空間為散開的分布。 腦深部的源產生的訊號，其MNP分布於表層。 需要其他的訊息？

從其他非侵入性造影，獲取EEG/MEG以外之腦活 動訊息。 血液動力學和神經元活動之確切關係目前還不清楚。 PET, fMRI, EEG, MEG需分開量度，做不同量度時，神經元的活動可能不同。 最佳選擇： 從EEG/MEG數據，求源分布。

格點空間：3維空間n個格點，構成3n維格點空 間。 源空間：分布於3n維格點空間的源構成的空間， 維數 ，Ni 為分布於格點空間 第i維的源數目。 MNP 為源空間之解。 格點空間之解： N為3n  3n矩陣，對角線元素為Ni 。

Density iteration on MNP (DIMNP) 頭：半徑7.5cm的球。 格點：1220個格點覆蓋上半球，格點間距1.0cm。 量測點：分布於頭上半和下半後面的頭皮上，共 142位置。 MEG源：3個x, y, z方向之點源，位於同一格點。 訊號強度： 3個源產生的訊號最大總強度為100fT.