Mathematical Foundations of Neuroscience

Mathematical Foundations of Neuroscience pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Springer
作者:G. Bard Ermentrout
出品人:
页数:422
译者:
出版时间:2010-7-8
价格:USD 74.95
装帧:
isbn号码:9780387877075
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • 计算
  • 脑科学
  • 神经科学
  • 生物-生物数学
  • 生物
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  • neural
  • systems
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具体描述

This book applies methods from nonlinear dynamics to problems in neuroscience. It uses modern mathematical approaches to understand patterns of neuronal activity seen in experiments and models of neuronal behavior. The intended audience is researchers interested in applying mathematics to important problems in neuroscience, and neuroscientists who would like to understand how to create models, as well as the mathematical and computational methods for analyzing them. The authors take a very broad approach and use many different methods to solve and understand complex models of neurons and circuits. They explain and combine numerical, analytical, dynamical systems and perturbation methods to produce a modern approach to the types of model equations that arise in neuroscience. There are extensive chapters on the role of noise, multiple time scales and spatial interactions in generating complex activity patterns found in experiments. The early chapters require little more than basic calculus and some elementary differential equations and can form the core of a computational neuroscience course. Later chapters can be used as a basis for a graduate class and as a source for current research in mathematical neuroscience. The book contains a large number of illustrations, chapter summaries and hundreds of exercises which are motivated by issues that arise in biology, and involve both computation and analysis. Bard Ermentrout is Professor of Computational Biology and Professor of Mathematics at the University of Pittsburgh. David Terman is Professor of Mathematics at the Ohio State University.

《神经科学的数学基础》 《神经科学的数学基础》是一部深度探索神经科学各个前沿领域与数学理论之间深刻联系的著作。本书并非浅尝辄止的科普读物,而是旨在为那些对神经系统运作的内在机制充满好奇,并希望运用严谨的数学工具来解析这些复杂现象的研究者、学生和爱好者提供一套系统的理论框架和实践指南。 本书内容涵盖了神经科学研究中至关重要的数学分支,从基础的代数、微积分、概率论,到更高级的微分方程、动力系统、统计物理、信息论,再到现代计算神经科学领域的核心工具,如机器学习、网络科学和控制论。作者以清晰的逻辑和详实的论证,将这些看似独立的数学学科巧妙地融入到神经科学的脉络之中,展现了数学如何成为理解大脑功能的强大语言。 核心内容概览: 神经元模型与计算: 书中详细介绍了 Hodgkin-Huxley 模型、Integrate-and-Fire 模型等经典神经元模型,并深入探讨了如何利用微分方程和数值模拟来分析神经元的电生理特性。此外,还介绍了更具生物学现实性的脉冲编码和解码机制,以及这些机制在大规模神经网络中的作用,包括发放率编码、时间编码以及它们在信息传递中的角色。 神经网络动力学: 本部分是本书的重点之一。作者从单神经元的兴奋性、抑制性相互作用出发,逐步构建起具有复杂连接和动力学行为的神经网络模型。这里会深入探讨吸引子网络、振荡网络、混沌动力学在学习、记忆和感知等认知功能中的潜在作用。例如,如何利用动力系统理论来理解记忆的痕迹形成和提取,或者解释大脑在不同状态下的节律性活动。 统计学与随机过程在神经科学中的应用: 神经信号的产生和传递往往带有随机性。本书将深入剖析如何运用概率论和统计推断来分析神经数据,例如从神经记录中估计神经活动,识别神经信号中的模式,以及理解神经可塑性的随机过程。贝叶斯推断、马尔可夫链以及泊松过程等工具将被引入,用于建模神经释放、突触可塑性以及感觉输入的不确定性。 信息论与编码理论: 信息论为量化和理解神经系统中信息传递提供了强大的框架。本书将介绍信息熵、互信息等概念,并阐述它们如何被用来衡量神经元对刺激的响应的编码效率和信息容量。此外,还会探讨不同的神经编码策略,如稀疏编码、泊松编码,以及它们在视觉、听觉等感觉系统中的实现机制。 网络科学与大脑连接: 大脑是一个高度互联的网络,其功能离不开节点(神经元)之间的连接。本书将介绍图论的基本概念,如节点、边、度、路径等,并将其应用于分析大脑的结构连接组学和功能连接组学。读者将了解到如何利用网络度量指标,如模块化、中心性,来揭示大脑信息处理的组织原则,以及网络拓扑如何影响信息传播和集体行为。 机器学习与神经科学的交叉: 近年来,机器学习在神经科学领域扮演着越来越重要的角色。本书将介绍如何利用监督学习、无监督学习和强化学习来解码神经信号,预测行为,甚至构建仿真大脑模型。例如,如何使用支持向量机或神经网络来识别不同情绪状态下的脑电模式,或者利用强化学习来模拟动物的学习过程。 控制论与大脑功能调控: 大脑需要精密的调控机制来维持稳定并实现复杂任务。本书将引入控制论的概念,如反馈控制、前馈控制,并探讨它们在大脑稳态维持、运动协调和决策过程中的作用。例如,如何利用卡尔曼滤波器来理解大脑如何整合不同感官信息进行状态估计,或者如何用控制理论解释大脑的自适应性。 本书的独特之处: 《神经科学的数学基础》力求做到理论的深度与应用的广度相结合。每一章都以清晰的数学概念引入,然后立即将其联系到具体的神经科学问题。书中的例子来源于真实的实验数据和研究前沿,使得抽象的数学模型具有鲜活的生命力。作者也注重讲解数学工具的推导过程和其背后的直觉意义,帮助读者建立对数学在神经科学中应用的深刻理解。 本书适合作为神经科学、生物学、物理学、数学、计算机科学等相关专业的本科生和研究生教材,同时也能够满足对神经科学的数学方法论感兴趣的研究人员的需求。通过阅读本书,读者将能够: 掌握理解和分析神经科学数据的核心数学工具。 深入理解经典和现代神经科学模型的数学原理。 培养运用数学思维解决神经科学难题的能力。 为进一步探索计算神经科学、脑机接口、人工智能等交叉领域打下坚实基础。 《神经科学的数学基础》不仅是一本介绍数学在神经科学中应用的工具书,更是一次关于大脑工作原理的深刻数学探索之旅,它将帮助读者以一种全新的、更具力量的方式审视生命最迷人的科学前沿。

作者简介

Bard Ermentrout is Professor of Computational Biology and Professor of Mathematics at the University of Pittsburgh. David Terman is Professor of Mathematics at the Ohio State University.

目录信息

读后感

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用户评价

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《Mathematical Foundations of Neuroscience》这本书为我提供了一个全新的视角来审视神经科学领域。在此之前,我对大脑的认知更多地局限于其生物学结构和功能,但总觉得缺少一种能够将这些零散的知识点串联起来的“理论语言”。这本书恰恰扮演了这样一个角色。作者以数学为媒介,将神经科学的许多复杂现象进行了解释和建模。我尤其被书中对神经信号传递的数学描述所吸引。通过对Hodgkin-Huxley模型以及其他神经元动力学模型的学习,我得以理解单个神经元是如何通过膜电位的变化来编码和传递信息的。这种深入到分子和离子层面的数学分析,让我对神经元这一基本单元的工作原理有了前所未有的清晰认知。更令我兴奋的是,本书还探讨了神经网络层面的动力学。作者通过引入图论、混沌理论以及机器学习等数学工具,展示了如何分析大规模神经元网络的集体行为,以及这些行为如何产生高级认知功能,如学习、记忆和决策。书中对信息编码和解码的数学处理,更是让我看到了一种量化大脑信息处理能力的可能性。这本书不只是知识的堆砌,更是一种思维方式的启发,它鼓励读者用更具分析性和批判性的眼光去理解大脑。

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《Mathematical Foundations of Neuroscience》的阅读体验绝对是令人耳目一新的。我一直以来对神经科学都抱有浓厚的兴趣,但总觉得许多概念停留在描述层面,缺乏一种能够进行精确预测和定量分析的工具。这本书的出现,恰好满足了我对这种“量化”神经科学的渴望。作者没有回避数学的深度,而是将其作为核心语言来构建整个理论体系。从描述单个神经元如何产生电信号的动力学模型,到解释大量神经元如何协同工作形成神经网络的复杂动力学,书中无不体现出数学的强大力量。我尤其喜欢书中对信息编码和解码的数学处理。它不像以往的教科书那样笼统地谈论信息,而是通过信息论、编码理论等数学框架,来量化神经信号所携带的信息量,以及大脑如何有效地处理这些信息。这种严谨的分析方式,让我对“大脑是信息处理器”这一观点有了更深刻的理解。书中对随机过程的运用也让我印象深刻,例如在处理噪声的影响,或者研究神经活动的变异性时,概率论和随机变量的引入,能够更真实地刻画大脑的运作。书中还探讨了学习和记忆的数学模型,比如赫布学习规则和更复杂的强化学习算法,这些模型为理解大脑如何通过经验来改变其连接和功能提供了理论基础。读完这本书,我感觉自己不仅对神经科学的“是什么”有了更深的认识,更重要的是,我对“为什么”和“怎么样”有了更清晰的答案。这本书不只是知识的传递,它更是一种思维方式的启蒙,让我开始用更具批判性和分析性的眼光去看待神经科学的各种现象。

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说实话,在拿起《Mathematical Foundations of Neuroscience》之前,我对数学在神经科学中的应用程度有些疑虑。我更倾向于从生物学和心理学的角度去理解大脑,但这本书彻底颠覆了我的固有观念。作者以一种极其引人入胜的方式,将抽象的数学概念与具体的神经科学现象联系起来。比如,书中对脉冲神经网络的建模,不仅仅是简单地描述神经元之间的连接,而是通过微分方程来精确描绘动作电位的产生和传播,以及突触权重的动态变化。这让我意识到,大脑的许多功能,比如信号集成、模式识别,都可以用清晰的数学规律来解释。书中的内容涵盖了从单细胞动力学到大规模神经网络的分析,为我提供了一个非常完整的知识框架。我尤其欣赏书中对“涌现”(emergence)概念的数学化处理。大脑的整体功能,如意识、学习、记忆,并不是简单地将单个神经元的行为叠加,而是通过复杂的非线性相互作用产生的。作者通过数学模型,例如吸引子网络、混沌动力学等,生动地展示了这种涌现现象。阅读过程中,我时常被作者的洞察力所折服,他能够从看似杂乱的神经信号中提炼出数学的秩序。书中对统计建模和数据分析方法的介绍,也为我将来进行实际的神经科学研究提供了宝贵的指导。这本书不仅仅是一本教科书,它更像是一份研究指南,指引着我去探索大脑这个复杂而迷人的领域。

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《Mathematical Foundations of Neuroscience》这本书对我来说,是一次非常深刻的智力洗礼。我一直以来对神经科学都抱有极大的热情,但总是觉得在理论层面缺少一个足够强大的支撑。这本书,恰恰弥补了这一不足。作者以数学为语言,将神经科学的各种现象进行了系统化的梳理和解释。我特别喜欢书中对神经信号传递的数学建模,例如对动作电位产生和传播的动力学模型,以及对神经元网络动力学的分析,这些都让我对大脑的计算能力有了更深层次的理解。书中对信息论在神经科学中的应用,例如对神经编码效率的量化分析,更是让我看到了将信息科学的工具应用于理解大脑的巨大潜力。它不仅展示了大脑如何编码和解码信息,更提供了量化这些过程的方法。此外,书中对学习和记忆的数学模型,如基于突触可塑性的模型,为理解大脑如何通过经验来改变其连接和功能提供了理论基础。阅读这本书,我感觉自己不仅仅是在学习神经科学的知识,更是在学习一种用数学思维去分析和解决神经科学问题的能力。这种能力的培养,对于任何想要深入研究神经科学的人来说,都是至关重要的。

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我对《Mathematical Foundations of Neuroscience》的评价只能用“惊为天人”来形容。在翻阅这本书之前,我对神经科学的理解,停留在一些经典的生物学描述,比如神经元的结构、突触的传递方式,以及大脑皮层的分区功能等,但总觉得这些描述缺少了某种“底层逻辑”。这本书,恰恰为我揭示了这种底层逻辑。作者以数学作为核心语言,系统地阐述了神经科学的各种现象。我尤其欣赏书中对“计算”概念的数学化处理。大脑本身就是一个极其复杂的计算系统,而这本书通过严谨的数学模型,将这种计算过程进行了清晰的刻画。例如,书中对动作电位产生和传播的动力学模型,以及对神经网络连接和动力学的分析,都让我对大脑如何进行信息处理有了全新的认识。我被书中对信息论在神经科学中的应用所深深吸引,它为我们量化神经信号所携带的信息量,以及大脑如何有效地进行信息编码和解码提供了理论依据。此外,书中对学习和记忆的数学模型,如基于连接权重变化的赫布规则,以及更复杂的强化学习模型,都为理解大脑如何从经验中学习提供了非常有力的解释。这本书的价值在于,它不仅仅是理论的介绍,更是一种思维的启迪,它教会我如何用数学的语言去理解大脑的奥秘。

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自从读完《Mathematical Foundations of Neuroscience》,我感觉自己对大脑的理解已经进入了一个全新的维度。在此之前,我对神经科学的认知更多地停留在生物学描述层面,例如神经元的结构、突触的传递方式、以及大脑区域的功能划分等,但总觉得缺少一种能够解释这些现象的“底层逻辑”。这本书,正是以数学的语言,为我揭示了这种逻辑。作者以一种非常清晰和系统的方式,阐述了数学在神经科学中的应用。我尤其印象深刻的是书中对神经信号的数学建模,比如对动作电位产生和传播的动力学模型,以及对神经网络连接和动力学的分析,这些都让我对大脑作为一个信息处理系统有了更深入的理解。书中对信息论在神经科学中的应用,例如对神经编码效率的量化分析,更是让我看到了将信息科学的工具应用于理解大脑的巨大潜力。此外,对学习和记忆的数学模型,如基于连接权重变化的赫布规则,以及更复杂的强化学习模型,都为理解大脑如何从经验中学习提供了非常有力的解释。这本书的价值在于,它不仅仅是理论的介绍,更是一种思维方式的启迪,它教会我如何用数学的语言去理解大脑的奥秘,让我对未来的研究充满了期待。

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我在阅读《Mathematical Foundations of Neuroscience》的过程中,深深感受到了数学在揭示大脑奥秘中的核心作用。在此之前,我总是觉得神经科学的研究方法有些过于偏重观察和描述,而缺乏一个能够进行严格推导和预测的理论体系。这本书则完美地弥补了这一遗憾。作者以其深厚的数学功底,为我们构建了一个坚实的理论基础,用以理解大脑的运作机制。从单细胞的电生理模型,到复杂的神经网络动力学,书中每一个章节都充满了严谨的数学推导和深刻的洞察。我特别欣赏书中对“计算”(computation)概念的数学化解读。大脑不仅仅是一个生物器官,它更像是一个高度复杂的计算系统。通过对神经元、突触以及网络连接的数学建模,作者展示了大脑如何执行各种计算任务,例如信号滤波、模式识别以及决策制定。书中对随机性和噪声在神经系统中作用的讨论也让我印象深刻。大脑的工作环境并非理想化,噪声是普遍存在的,而作者通过概率模型,阐释了大脑如何在这种不确定性中依然能够有效地运作,甚至利用噪声来增强其功能。阅读这本书,我感觉自己不仅仅是在学习神经科学的知识,更是在学习一种如何用数学思维去分析和解决神经科学问题的能力。这种能力的培养,对于任何想要深入研究神经科学的学者来说,都是至关重要的。

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《Mathematical Foundations of Neuroscience》这本书的阅读过程,对我而言是一次深刻的智力挑战与愉悦的探索之旅。作者以其精湛的笔触,将数学的严谨性与神经科学的生动性完美融合。我以往对神经科学的理解,更多地停留在现象的描述,比如大脑的哪些区域负责什么功能,神经递质的作用等等,但总感觉缺少一个能够将这些现象进行整合和预测的理论框架。这本书恰好提供了这样一个框架。书中对神经信号传递过程的数学建模,尤其是对动作电位产生和传播的精细刻画,让我对神经元这一基本单元的工作机制有了前所未有的清晰认知。作者引入的微分方程,不仅仅是抽象的数学符号,它们准确地描述了离子通道的动态行为,以及这些行为如何导致膜电位的变化。更让我着迷的是,本书还深入探讨了神经网络层面的动力学。通过对网络连接、突触可塑性以及群体神经活动的数学分析,我得以窥见大脑如何进行复杂的计算,如何存储和处理信息。书中对信息论在神经科学中的应用,例如对神经编码效率的量化分析,让我看到了将信息科学的工具应用于理解大脑的可行性。此外,对学习和记忆的数学模型,如强化学习和贝叶斯推断的应用,为我提供了理解大脑如何从经验中学习的全新视角。这本书让我意识到,数学并非是神经科学的障碍,而是通往更深层次理解的必经之路。

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刚刚结束了对《Mathematical Foundations of Neuroscience》这本书的研读,心情格外激动。这本书就像一把金钥匙,为我打开了理解神经科学复杂世界的大门。在阅读之前,我对神经科学的认知仅限于一些零散的生物学知识,比如神经元、突触、大脑区域的功能划分等等,但总觉得少了些什么,无法将这些零散的知识点串联起来,形成一个完整的、有深度的理解。这本书恰恰填补了我的这一空白。它从数学的视角出发,系统地阐述了神经科学的底层逻辑。作者以严谨的数学推导和清晰的逻辑链条,层层深入地解析了神经信号的传递、整合以及大脑整体的功能运作。书中的模型构建,从最简单的 Hodgkin-Huxley 模型,到更复杂的网络动力学,都让我对神经系统的计算能力有了全新的认识。我特别欣赏书中对各种数学工具的运用,例如微分方程、概率论、统计力学等,它们被巧妙地引入,用于描述和预测神经系统的行为。这些数学工具并非枯燥的概念堆砌,而是紧密结合神经科学的实际问题,为理解大脑的奥秘提供了强有力的支撑。例如,在分析单个神经元的兴奋性时,书中对Hodgkin-Huxley模型的讲解,详细描述了离子通道的开放与关闭如何影响膜电位的变化,以及这些变化如何导致动作电位的产生。这种深入到离子层面、再通过数学方程进行描述的方式,让我对神经元这一基本单元的工作原理有了前所未有的清晰认知。更不用说书中对神经网络动力学的探讨,它将大量神经元连接起来,形成复杂的网络,而这些网络的集体行为又如何产生感知、记忆和决策等高级功能。作者通过引入图论、稳定性分析、相空间重构等方法,展示了如何从宏观层面理解这些网络的涌现行为。这本书的价值在于,它不仅仅是理论的介绍,更提供了解决实际问题的框架。它鼓励读者思考,如何利用数学模型来检验假说,如何设计实验来验证理论预测。通过学习这本书,我感觉自己不仅掌握了神经科学的知识,更掌握了“思考”神经科学的方式。

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《Mathematical Foundations of Neuroscience》的阅读体验,是一次深刻的智力旅程,也彻底改变了我对神经科学的认知。在此之前,我虽然对大脑的结构和功能有所了解,但总是感觉缺乏一种能够将这些现象进行精确描述和预测的理论框架。这本书,恰恰提供了这样一个框架。作者以数学为桥梁,将神经科学的复杂性进行了系统化的梳理。我尤其喜欢书中对神经信号的数学建模,例如对动作电位产生和传播的 Hodgkin-Huxley 模型,以及对神经元网络动力学的分析,都让我对大脑的计算能力有了更深层次的理解。书中对信息论在神经科学中的应用,更是让我看到了将信息科学的工具应用于理解大脑的巨大潜力。它不仅展示了大脑如何编码和解码信息,更提供了量化这些过程的方法。此外,书中对学习和记忆的数学模型,如基于突触可塑性的模型,为理解大脑如何通过经验来改变其连接和功能提供了理论基础。阅读这本书,我感觉自己不仅仅是在学习神经科学的知识,更是在学习一种用数学思维去分析和解决神经科学问题的能力。这种能力的培养,对于任何想要深入研究神经科学的人来说,都是至关重要的。

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