Biological neuron model とは

生物学的ニューロンモデルは、スパイクニューロンモデルとしても知られており、図1に示すように、約1ミリ秒間の細胞膜に鋭い電位を発生させる神経系の特定細胞の数学的記述である。スパイキングニューロンは、神経系の主要なシグナル伝達単位であることが知られており、このため、その動作を特徴づけることは非常に重要である。神経系の全ての細胞がスパイクニューロンモデルの範囲を定めるスパイクのタイプを生成するわけではないことは注目に値する。例えば、蝸牛有毛細胞、網膜受容細胞、および網膜双極細胞は、発疹を起こさない。さらに、神経系の多くの細胞はニューロンとして分類されず、グリアとして分類される。
最終的に、生物学的ニューロンモデルは、知覚(例えば、難聴または失明)、運動運動の意思決定、および連続的な四肢制御などの失われた制御能力を回復させる目的で、神経系の動作の根底にあるメカニズムを説明することを目的とする。その意味で、生物学的ニューロンモデルは、生物学的神経組織を含む実験の結果を予測することを想定していない人工ニューロンモデルとは異なる(人工ニューロンモデルも知覚および推定タスクの実行に関わるが)。したがって、生物学的ニューロンモデルの重要な側面は、実験的検証、およびモデル予測に関連する実験手順を記述するための物理的単位の使用である。
ニューロンモデルは、モデルのインターフェイスの物理的な単位に応じて2つのカテゴリに分けられます。各カテゴリは、抽象度/詳細レベルに従ってさらに分割することができます。
 電気入力 – 出力膜電圧モデル – これらのモデルは、入力段階(電圧または電流のいずれか)で電気刺激の関数として膜出力電圧の予測を生成する。このカテゴリのさまざまなモデルは、入力電流と出力電圧の間の正確な機能的関係と詳細レベルで異なります。このカテゴリの一部のモデルはブラックボックスモデルであり、測定された2つの電圧レベル(スパイクの存在(「動作電位」としても知られている)または静止状態の間のみを区別します。他のモデルはより詳細であり、細胞内プロセスを説明している。自然または薬理学的入力ニューロンモデル – このカテゴリーのモデルは、薬理学的または自然のいずれかであり得る入力刺激と、スパイク事象の確率との間を接続する。これらのモデルの入力段階は電気的ではなく、薬理学的(化学的)濃度単位、または光、音、または他の形態の物理的圧力などの外部刺激を特徴付ける物理的単位のいずれかを有する。さらに、出力段は、電圧ではなくスパイク事象の確率を表す。典型的には、この出力確率は時定数で正規化(除算)され、得られた正規化された確率は「発火率」と呼ばれ、ヘルツの単位を有する。このカテゴリーのモデルによって得られた確率論的記述は、得られたスパイクパターンの変動性を示す自然または薬理学的刺激を含む実験室実験からインスピレーションを得た。それにもかかわらず、これらの実験結果をいくつかの試行にわたって平均化すると、明確なパターンがしばしば明らかになる。
異なる抽象化/詳細レベルのためのいくつかの記述モデルを有することは、科学および工学において珍しいことではないが、異なる、時には矛盾する生物学的ニューロンモデルの数は例外的に高い。この状況は、部分的には、多くの異なる実験設定の結果であり、単一のニューロンの固有の特性を測定効果および多くの細胞の相互作用(ネットワーク効果)から分離することの難しさである。統一された理論への収束を加速するために、各カテゴリーにいくつかのモデルをリストアップし、該当する場合は、サポートする実験への参照も示します。