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內(nèi)容簡介

　　計算神經(jīng)科學(xué)作為腦科學(xué)與人工智能之間的橋梁，是一門高速發(fā)展的新興交叉學(xué)科。本書采用理論與實踐結(jié)合的方式為讀者講述計算神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)知識。它從基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)和物理原理出發(fā)，詳細(xì)介紹了各類神經(jīng)元模型、突觸模型，以及具有不同結(jié)構(gòu)和功能的網(wǎng)絡(luò)模型，如興奮―抑制平衡網(wǎng)絡(luò)、決策網(wǎng)絡(luò)、連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)、庫網(wǎng)絡(luò)等。本書不僅講解了理論知識，還基于BrainPy（專門針對計算神經(jīng)科學(xué)設(shè)計的編程框架）提供了實踐代碼，使讀者能夠動手模擬和分析神經(jīng)系統(tǒng)的行為和性質(zhì)。本書既可以作為計算神經(jīng)科學(xué)的教材，也可以作為對該領(lǐng)域感興趣的讀者的參考書。

作者簡介

　　吳思，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院教授，IDG麥戈文腦科學(xué)研究所、定量生物學(xué)中心、北京大學(xué)―清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心研究員，北京智源學(xué)者。研究領(lǐng)域是計算認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和類腦計算。

圖書目錄

第1 篇基礎(chǔ)知識
第1 章編程基礎(chǔ)知識．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1．1 安裝教程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4
1．1．1 Linux 與macOS 系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5
1．1．2 Windows 系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6
1．1．3 更新版本和環(huán)境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6
1．2 JIT 編譯下的編程基礎(chǔ)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 7
1．2．1 JIT 編譯加速．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 7
1．2．2 數(shù)據(jù)操作．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 10
1．2．3 控制流．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 16
1．3 動力學(xué)模型的編程基礎(chǔ)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
1．3．1 積分器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22
1．3．2 更新函數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 25
1．3．3 突觸計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27
1．3．4 運行器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 31
1．4 查閱文檔．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 34
1．5 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35
第2 篇神經(jīng)元模型
第2 章神經(jīng)元的電導(dǎo)模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 39
2．1 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 39
2．2 靜息膜電位．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 40
2．3 等效電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 43
2．4 電纜方程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 46
2．4．1 電纜方程的推導(dǎo)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 46
2．4．2 電信號在長直纖維中的被動傳播．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48
2．5 動作電位．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 50
2．5．1 動作電位的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 50
2．5．2 動作電位的產(chǎn)生機制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 50
2．5．3 動作電位的遠(yuǎn)距離傳播．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 51
2．6 霍奇金―赫胥黎（HH）模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 52
2．6．1 離子通道模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 52
2．6．2 利用電壓鉗技術(shù)測量離子電流．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53
2．6．3 泄漏電流的測量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 54
2．6．4 INa 和IK 的測量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 54
2．6．5 HH 模型的數(shù)學(xué)表達(dá)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57
2．7 HH 模型的編程實現(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 58
2．8 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 62
2．9 拓展閱讀：求解門控變量n、h、m 的表達(dá)式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 63
2．9．1 門拉變量n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 63
2．9．2 門控變量h ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 65
2．9．3 門控變量m．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．68
第3 章簡化神經(jīng)元模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 70
3．1 泄漏整合發(fā)放（LIF）模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 70
3．1．1 LIF 模型的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 70
3．1．2 LIF 模型的動力學(xué)性質(zhì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 73
3．1．3 LIF 模型的優(yōu)點和缺點．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 76
3．2 二次整合發(fā)放（QIF）模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 77
3．2．1 QIF 模型的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 77
3．2．2 QIF 模型的動力學(xué)性質(zhì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 79
3．2．3 θ 神經(jīng)元模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 84
3．3 指數(shù)整合發(fā)放（ExpIF）模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 87
3．3．1 ExpIF 模型的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 87
3．3．2 ExpIF 模型的動力學(xué)性質(zhì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 89
3．4 適應(yīng)性指數(shù)整合發(fā)放（AdEx）模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 91
3．4．1 AdEx 模型的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 91
3．4．2 AdEx 模型的發(fā)放模式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 95
3．4．3 利用相平面分析法研究AdEx 模型產(chǎn)生不同發(fā)放模式的動力學(xué)機制．．．．． 97
3．5 Izhikevich 模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 103
3．5．1 Izhikevich 模型的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．103
3．5．2 Izhikevich 模型的發(fā)放模式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．105
3．5．3 用分岔分析法研究Izhikevich 模型在不同發(fā)放模式間的轉(zhuǎn)換．．．．．．．．．． 107
3．6 Hindmarsh-Rose（HR）模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 110
3．6．1 Hindmarsh-Rose 模型的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 110
3．6．2 Hindmarsh-Rose 模型產(chǎn)生簇發(fā)放的動力學(xué)機制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 112
3．6．3 Hindmarsh-Rose 模型的其他發(fā)放模式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 116
3．7 泛化整合發(fā)放（GIF）模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 118
3．7．1 GIF 模型的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 118
3．7．2 GIF 模型的動力學(xué)分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 122
3．8 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 125
第3 篇突觸及突觸可塑性模型
第4 章突觸模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 129
4．1 化學(xué)突觸．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 129
4．2 化學(xué)突觸的現(xiàn)象學(xué)模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 131
4．2．1 電壓跳變模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 133
4．2．2 指數(shù)衰減模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 136
4．2．3 Alpha 函數(shù)模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 141
4．2．4 雙指數(shù)衰減模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 142
4．3 化學(xué)突觸的生理學(xué)模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 146
4．3．1 建模離子通道的開放與關(guān)閉．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 146
4．3．2 AMPA 模型和GABAA 模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．147
4．3．3 NMDA 模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 149
4．3．4 GABAB 模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 153
4．4 電突觸模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 156
4．5 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 159
第5 章突觸可塑性模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 160
5．1 突觸短時程可塑性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 160
5．2 突觸長時程可塑性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 166
5．2．1 脈沖時序依賴可塑性（STDP）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 166
5．2．2 赫布學(xué)習(xí)法則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 172
5．2．3 Oja 法則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 174
5．2．4 BCM 法則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 179
5．3 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 182
第4 篇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
第6 章興奮―抑制平衡網(wǎng)絡(luò)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．185
6．1 興奮―抑制平衡網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 185
6．2 興奮―抑制平衡網(wǎng)絡(luò)的編程實現(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 186
6．3 興奮―抑制平衡網(wǎng)絡(luò)的計算功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 190
6．4 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 193
第7 章決策網(wǎng)絡(luò)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 194
7．1 決策行為的研究背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 194
7．2 脈沖決策網(wǎng)絡(luò)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 195
7．2．1 脈沖決策網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 195
7．2．2 脈沖決策網(wǎng)絡(luò)模型的編程實現(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 196
7．3 發(fā)放頻率決策網(wǎng)絡(luò)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 203
7．3．1 發(fā)放頻率決策網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 203
7．3．2 發(fā)放頻率決策網(wǎng)絡(luò)模型的編程實現(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 205
7．3．3 發(fā)放頻率決策網(wǎng)絡(luò)模型的動力學(xué)分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．209
7．4 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 211
第8 章連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 212
8．1 吸引子網(wǎng)絡(luò)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 212
8．2 連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 213
8．3 連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)模型的編程實現(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 216
8．4 連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)模型的計算功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 219
8．4．1 神經(jīng)元群編碼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 219
8．4．2 平滑跟蹤．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 220
8．4．3 其他計算功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 222
8．5 本章小結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 224
第9 章庫網(wǎng)絡(luò)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 225
9．1 庫網(wǎng)絡(luò)的定義及發(fā)展背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 225
9．2 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的定義和限定條件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 225
9．2．1 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 225
9．2．2 網(wǎng)絡(luò)具有回聲性質(zhì)的條件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 227
9．3 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的編程實現(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．228
9．4 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 232
9．4．1 周期（正弦）函數(shù)的擬合．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 233
9．4．2 勞倫茲系統(tǒng)的預(yù)測．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 236
第10 章網(wǎng)絡(luò)模型總結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 240
參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 241