神経物理学

神経物理学（または神経生物物理学）は、神経系に関する情報を得るための物理的方法の開発と使用を扱う生物物理学の一分野です。神経物理学は、物理学を使用し、それを他の神経科学と組み合わせることで神経プロセスをよりよく理解する学際的な科学です。「神経物理学」という用語は、「ニューロン」と「物理学」の合成語です。ナノ神経生物物理学は、ナノスケールにおける神経生物物理学の専門分野であり^[¹^] 、ナノ科学のサブ分野でもあります。ナノ神経生物物理学は、脱髄と神経変性疾患の研究を中心に、その知識をナノ医療の分野（つまり、ナノテクノロジーによる疾患の診断と治療）に応用することを最終目標としています。^[¹^]

使用される手法には、主に電気的、機械的、または流体特性を研究するための実験生物物理学の技術や、 EEG ^{[ 2 ]}などの他の物理的測定、および理論的および計算的アプローチが含まれます。^[³^]他の例としては、Kramers-Moyal 展開を使用したニューロンの異所性活動電位の理論化^[⁴^]や、双極子近似を使用した EEG 中に測定された物理現象の記述^[²^]は、神経活動をよりよく理解するために神経物理学を使用しています。

もう1つの全く異なる理論的アプローチでは、ニューロンがイジングモデルの相互作用エネルギーを持つとみなし、さまざまなケイリーツリーのトポロジーと大規模なニューラルネットワークに対するこの物理的帰結を探求しています。1981年、ピーター・バースは任意の分岐比に対して閉じたケイリーツリー（ループ付き）の厳密解を導出し^{[ 5 ]} 、局所頂点相関と長距離サイト間相関において異常な相転移挙動を示すことを発見しました^{[ 6 ]。}これは、構造的に決定され、接続性に影響される協調現象の出現が、大規模なニューラルネットワークにおいて重要な役割を果たす可能性があることを示唆しています。

録音技術

物理現象を利用して脳活動を記録する古い技術は、研究や医療においてすでに広く普及している。脳波検査（EEG）は、電気生理学を用いて脳内の電気活動を測定する。 1924年にハンス・ベルガーが初めて人間の脳の電気活動を記録したこの技術^{[ 7 ]}は非侵襲的で、患者の頭皮に電極を置いて脳活動を記録します。同じ原理に基づく皮質脳波検査（ECoG）は、大脳皮質の電気活動を直接記録するために開頭手術を必要とします。

近年、物理学者たちは脳とその活動を画像化する技術や装置を開発してきた。1990年に小川誠司によって発見された機能的磁気共鳴画像法（fMRI）技術^[⁸^]は、脳内の血流の変化を明らかにする。既存の医用画像技術である磁気共鳴画像法（MRI）と、神経活動と脳血流の関連性に基づいて、このツールは、制御された刺激によって引き起こされる脳活動を科学者が研究することを可能にする。もう一つの技術である二光子顕微鏡法（2P）は、1990年にコーネル大学のウィンフリート・デンク（ 2015年に脳賞を受賞^[⁹^]）、ジョン・H・ストリックラー、ワット・W・ウェッブによって発明され^[¹⁰^]、蛍光タンパク質と色素を用いて脳細胞を画像化する。この技術は、1931年にマリア・ゲッパート＝マイヤーによって初めて理論化された二光子吸収とレーザーを組み合わせたものです。今日では、この技術は研究分野で広く用いられており、特定の種類のニューロンの挙動を研究するために遺伝子工学と組み合わせられることもよくあります。

意識の理論

意識は未だに未知のメカニズムであり、理論家たちはそのメカニズムを説明する物理的な仮説をまだ考案できていない。いくつかの理論は、意識は脳活動中に引き起こされる活動電位によって生成される脳の電磁場の乱れによって説明できるという考えに基づいている。 ^[¹¹^]これらの理論は意識の電磁理論と呼ばれている。別の仮説群は、意識は古典力学では説明できず、量子力学とその現象によって説明できると示唆している。これらの仮説は量子心^[¹²^]という考え方に分類され、最初にユージン・ウィグナーによって提唱された。