神经动力学与力学

引用格式:陆启韶. 神经动力学与力学. 动力学与控制学报, 2020，18(1): 6-10 (Lu Qishao. Neurodynamics and Mechanics. Journal of Dynamics and Control, 2020,18(1): 6-10)

神经动力学与力学

陆启韶

摘要本文回顾力学研究体系的发展，简要介绍神经动力学的主要内容及其作用，探讨神经动力学与力学的密切关系，并提出一些研究展望。

关键词力学，脑科学，神经动力学，神经调控，神经疾病，类脑智能

引言

生物神经系统承担着感受外界刺激，产生、处理、传导和整合信号，从事各种感觉、学习、记忆和思维等认知活动，以及控制生物体运动和内分泌等重要功能，是生物体的关键性器官之一。特别地，大脑是生物的司令部和信息中心。人们必须深入研究神经系统复杂的网络结构和丰富的动力学行为，阐明神经认知行为和心理活动的内在机制，才能深刻揭示脑神经信息和功能的奥秘，并为战胜各种神经疾病提供科学原理和治疗途径。此外，各种智能装备等也涉及大量与神经信息活动相关的动力学与控制问题。

神经科学(脑科学)是一门对动物和人体的神经系统进行生物学研究的综合性学科.随着神经实验和计算技术手段的创新,神经科学研究取得迅速进展[1]。不过，传统的神经科学研究结果主要是依靠实验现象的观察和实验/临床数据的统计分析得到的，由于实验技术和条件的限制，以及数据分析的难度，往往难以对神经系统的生理和认知行为获得规律性的全面认识。正如著名物理学家薛定谔精辟地指出的那样:“所有的科学知识都来源于感官感知;但是我们得到的科学理论却不包含感官感知部分，而且也不能解释相关的感知”[2]。为了获得对于大脑活动规律的全面深入的认识，现在人们已经认识到建立神经科学的理论体系的重要性，需要开展多学科交叉融合的创新性研究。

力学是最古老的科学部门之一，并且一直持续发展。它是人类认识自然界的重要工具，也是现代工程技术的基础，对人类社会发展和进步做出了重大贡献。神经科学是在神经解剖学和生理学的丰富实验成果基础上在20世纪中叶诞生的新兴学科，也是21世纪最有活力的前沿学科之一。从表面上看来，经典力学的主要研究背景是天体运动和地面机械运动，与神经科学的研究对象生物神经系统活动(生物电和化学活动、神经认知行为等)相距甚远。然而生物神经系统作为非线性动力系统，从动力学的本质来说与力学系统有许多共同点。在长期发展过程中，力学在建模、理论分析、数值计算、实验、工程应用等方面都积累了十分丰富的成功经验，它们对神经科学的学科发展应当有重要的启示和指导作用。本文从学科发展的角度，简要介绍生物神经系统的生理、信息和认知活动中的一些动力学问题，并回顾力学研究体系的发展，探讨神经动力学与力学之间的内在联系，对今后的发展作些展望。

1力学研究体系的发展

我国著名力学家周培源先生说过:“力学是关于物质宏观运动规律的科学”，力学学科的发展过程充分证实这个论断的正确性。在20世纪以前相当长的时期里，力学主要研究质点或质点系的机械运动的基本规律，即机械力和位形(如位移、速度等)变化之间的关系，属于经典的牛顿力学体系。在19世纪后期，庞加莱、李雅普诺夫等通过天体力学、流体力学稳定性等研究，率先开辟了动力学的定性研究途径，建立了动力系统的初步基础。进入20 世纪以后，动力系统理论和方法得到进一步发展，并成功地用于各种力学系统，以至非线性微分方程描述的一般系统，具有普遍的理论意义和重要的应用价值。这表明近代力学研究突破了经典力学体系的传统范畴，开拓了“广义”力学体系的新范畴。也就是说，力学研究对象从“质点或质点系”拓展到一般性的“动力学系统”，“力”的概念从“机械力”拓展到一般性的“相互作用”，“运动”的概念也从几何空间中的“位形变化”拓展到在状态空间中的“状态演化”。爱因斯坦说过:“牛顿的成就的重要性，并不限于为实际的力学科学创造了一个可用的和逻辑上令人满意的基础;而且直到19世纪末，它一直是理论物理学领域中每一个工作者的纲领。”在力学的原理和方法的引领下，不仅在宏观物质系统的不同范畴内相继出现了热力学、统计力学、电动力学、相对论力学等新学科，甚至对微观世界的量子力学理论的诞生也有重要影响，因此力学成为近代物理的深刻根源和重要基础。到了20世纪中叶以后，力学进一步在自然科学和工程技术，以至社会科学的更多领域中发挥重要的作用，形成更多新的交叉学科分支(如化学动力学、生态动力学、经济动力学、非线性动力学等)，这些巨大成就充分表明了“广义”力学体系有力地推动现代科学技术的发展。

文章来源：《力学学报》 网址: http://www.lxxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1107/407.html