解构神经元
物理学家最基本的思维方式是分解和还原。 就如同费曼当年所说， 如果世界毁灭， 我们要留一句话给未来的文明， 那就是-世界是由原子组成。基本粒子-已经成为我们理解世界的最基本思想。
那么当我们想要触及那个终极的秘密-我们是如何思考的， 我们也一定要问什么是认知的基本单元。生物学家给出的答案是-神经元（Neuron）。认知的基本单元，我们叫做神经元，意及组成神经系统的细胞。
我们还由我们熟悉的电脑做比喻， 看细胞如何能够成为认知的基本单元。 人们从来都拿电脑对比人脑。一台电脑，早已被伟大的人工智能之父阿兰图灵的概念模型图灵机解释明白了。 电脑就是能够输入信息，处理信息和输出信息的机器。它能够根据内部的状态来处理输入信号，给出适当输出并且存储信息。
计算机的基本单元是什么？ 晶体管。 它可以把电压这个模拟信号转化为0，1的数字信号。 粗略的看，神经元其实就是一个晶体管。 他接受信号并转化为电压，当电压高过一定阈值，他就会发放信号告诉其它神经元我接受到了超过阈值的电信号。
既然晶体管能作为计算机的基本单元，那么神经元也可以作为大脑认知的基本单元，平淡的概念，无奇的讨论。可是这样我们很快就会问， 这样我们的大脑还和电脑有什么区别？
这一点我在《你为什么需要计算神经科学》一文中论述过了， 电脑是人类设计的产物， 有一张在出生之前就写好的蓝图， 它的功能，它的命运就想一台精密的钟表，在出生前就给定，上上发条就开始转。而人脑呢， 它是几十亿年生物衍化自生的产物，凭借一位出色的立法者制定的自然法则， 通过一群细胞的自组织，就产生了出来。
那么再次审视之前那个问题， 我们发现，原来神经元远不是一个晶体管能够取代的，它比晶体管强悍太多。其实一个神经元本身，更像一个微电脑。
首先，神经元的基本结构是树突， 胞体和轴突（如上图）。这样一个结构， 就像因特网上的一台电脑， 它有一部接受器-树突， 接受其它电脑发来的脉冲， 一部发射器，轴突，放出自身的信号。只不过树突和轴突是有形的生物组织， 他们象树枝，根须一般延伸出去，不停的探知外界的情况并调整自己。 而电脑在网络中的连接就没那么主动了。 神经元的胞体， 更像一个微处理器， 通过它那复杂的化学反应履带，对信号给出适当的处理。
既然神经元是一台微电脑，那么它就有更基本的信息传输单位，它就是是离子通道。离子是神经信号的物质载体， 而离子通道就是控制细胞内外信息交换的门， 因此，离子通道是神经元的输入和输出端子， 有了他们神经元才能够感知外界的变化， 然后发出信号，和其他神经元对话。 因此离子通道就是神经元的信息门，神经元的晶体管。
说它是晶体管，因为它实现一种形式的模数转化，神经元上遍布着离子通道，离子通道的本质是传感器，目前已知的离子通道就多达数十种， 每种离子通道可以感受不同的信号， 有的对通道前后的电位差敏感， 有的对光子敏感，有的对某种离子敏感，有的对特定化学物质敏感。 但总之都是把各种纷繁的模拟信号转化为开门和关门的数字信号。当一扇门打开，信息的载体-离子就得以自由进出细胞，从而引起细胞内环境的变化，而细胞内环境的变化反过来引起离子通道的打开或者关闭， 这样的机制， 使得一个细胞成为一个小小的图灵机， 接受和处理信号改变细胞自身的状态，而状态改变又导致接受和处理信号方式的改变，反馈循环周而复始。
细胞的信息传输单位-离子通道。
树突离子通道对一种特定的有机分子-神经递质敏感， 神经递质是一种细胞分泌的化学物质， 是细胞间通讯的信使， 当树突离子通道碰到其他神经元释放的神经递质， 它就自己打开，让某种离子通过。
轴突和胞体上的离子通道往往对通道前后的电位差敏感，当细胞膜内外的电位差超过一定阈值， 它就打开， 低于这个阈值，就处于关闭状态， 就好比晶体管的0和1态。
离子通道的开启可以有力的调控细胞内的电压， 而细胞内电压则是整个细胞通讯的基础。 神经元的信息载体，被称为“spike” -脉冲。脉冲的产生是一个细胞内电压急速上升然后回落的过程，这是一个典型的由离子通道调控的正反馈过程。离子通道打开， 引起细胞内电压上升，而细胞内电压的上升导致更多离子通道打开。 这样一个循环就是神经元的脉冲。 对于这一过程的描述有一个极为伟大的生物物理方程组Hudgkin Huxley equation精确表述，其地位无异于麦克斯韦方程之于电磁学。将在后续篇幅详述。
上图展示了神经元是如何通过离子通道对话的。图中上半部的排骨棒棒就是轴突， 它是神经元的输出端子， 轴突末端安插的那些通道就是感受电压的离子通道， 当神经元脉冲（spike）到来的时候它打开让钙离子通过， 而钙离子将导致轴突里储存的神经递质释放，它们将作为该神经元的信使， 降到下面一个细胞的树突（图中下方的平面） 前端， 告诉下一个细胞，上面的细胞已经high了。而下一个神经元，正是通过覆盖其上的该种化学递质的传感器来接受这个信号，当递质到达， 门打开， 钠离子进入膜内，引起下一个细胞的兴奋。 这些过程都非常迅速，在毫秒量级。
离子通道是神经元的晶体管，对它们的理解也打开了人类反向控制神经元的大门。 通过精确的调控离子通道，我们可以控制神经元的信号发放给大脑进行“编程”。 人类已经通过加入一组对光敏感的离子通道成功的控制了小鼠大脑的神经元，这种技术被称为光遗传（Optogenetic）。
这是科学史最有趣的故事之一。 在遥远的海洋里， 一种藻类生物能够产生一种对光线非常敏感的蛋白质，这种蛋白恰好可以作为神经元的离子通道。 于是科学家就把这种蛋白质对应的基因找出来，放入小鼠的细胞核内，使得它们在神经元的发育过程中表达这种光敏基因，这样我们就得到了一组对光线敏感的离子通道。而人类就可以通过光线控制这组离子通道，从而控制神经元的放电。如此，远古海洋的藻类，不，应该是科学家，就打开了我们认知大脑的革命性方法。
光遗传技术已经成功的在小鼠脑内使用，MIT科学家实现了通过此实现了首次“记忆移植”实验，详情请见http://www.washingtonpost.com/national/health-science/inception-mit-scientists-implant-a-false-memory-into-a-mouses-brain/2013/07/25/47bdee7a-f49a-11e2-a2f1-a7acf9bd5d3a_story.html
神经元犹如一台精巧的微电脑，而由它组成的网络更是如同一个活生生的社会，可以灵活的组合，根据近期的活动改变网络连接。 单个神经元的复杂度也是目前所有电脑所望尘莫及，我们认识整个大脑的道路就更路漫漫而修远了。
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