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生物神经元是一种高度分化的细胞，能够感受和传导刺激。如图3.1所示，神经元上有很多突起。在靠近细胞体的位置有很多较短的突起，叫作树突。 树突 直接从细胞体扩张突出，分支多而且短，形状如同树枝，它能够从感受器或者其他神经元接收刺激，承担接收输入信号的功能。神经元通常有一根较为细长的突起，叫作轴突。 轴突 往往很长而且粗细均匀，形状如同细索，被髓鞘包裹成为神经纤维，在末端产生分支。轴突的作用是传输神经元产生的信号，通过其末端突触传递给其他神经元或者动作器官的细胞（如肌肉）。轴突承担输出的功能。
图3.1 神经元示意图
神经冲动实际上是神经元细胞膜内外两侧电位差的波动。细胞膜是一个半透膜，膜两侧液体中的带电离子维持着一定的浓度差，构成了神经元的 静息电位 。当神经元受到刺激时，能引起细胞膜上的离子通道（钠离子和钾离子的通道）发生一系列开启和关闭的动作，造成带电离子大量跨膜运动，产生一个大而短暂的电位差波动，叫作 动作电位 。动作电位会沿着轴突传输到轴突末端，触发末端突触释放一些叫作神经递质的化学物质，将信号传递给其他神经元。动作电位结束后，细胞膜上的离子通道会将膜内外电位差恢复到静息电位。
神经冲动是一种非线性的脉冲信号，遵循全有全无律（all-or-none law）。只要刺激超过了阈值，不论超过多少，都会触发神经冲动，并没有介于产生神经冲动和不产生神经冲动之间的状态。神经元活跃度的强弱表现为神经冲动的频率，频繁的神经冲动表明较强的神经活动信号。这种非线性的性质是感知机模型模拟神经元的关键，也是神经元通过连接组合能够产生复杂活动的必要条件。假设神经元活动的输入/输出是线性关系，那么无论我们怎样叠加，多个神经元活动的总和仍然是线性的。单个神经元模型的非线性性质是构筑具有丰富的表达力的复杂神经网络模型的基础。