Модели биологических нейронов , также известные как модели импульсных нейронов , [1] представляют собой математическое описание проведения электрических сигналов в нейронах . Нейроны (или нервные клетки) — это электрически возбудимые клетки нервной системы , способные посылать в нейронную сеть электрические сигналы, называемые потенциалами действия . Эти математические модели описывают роль биофизических и геометрических характеристик нейронов на проведение электрической активности.
Центральное место в этих моделях занимает описание того, как мембранный потенциал (то есть разница в электрическом потенциале между внутренней и внешней частью биологической клетки ) на клеточной мембране меняется с течением времени. В экспериментальных условиях стимуляция нейронов электрическим током генерирует потенциал действия (или спайк), который распространяется вниз по аксону нейрона . Этот аксон может разветвляться и соединяться с большим количеством нижестоящих нейронов в местах, называемых синапсами . В этих синапсах спайк может вызвать высвобождение нейротрансмиттеров , что, в свою очередь, может изменить потенциал напряжения нижестоящих нейронов, что потенциально приводит к спайкам в этих нижестоящих нейронах, тем самым распространяя сигнал. Целых 85% нейронов в неокортексе , самом внешнем слое мозга млекопитающих , состоят из возбуждающих пирамидных нейронов , [2] [3] , и каждый пирамидный нейрон получает десятки тысяч входных сигналов от других нейронов. [4] Таким образом, спайковые нейроны являются основной единицей обработки информации нервной системы .
Одним из таких примеров модели спайковых нейронов может быть очень подробная математическая модель, включающая пространственную морфологию . Другой может быть модель нейронов, основанная на проводимости, которая рассматривает нейроны как точки и описывает динамику мембранного напряжения как функцию трансмембранных токов. Математически более простая модель «интеграция и запуск» значительно упрощает описание динамики ионного канала и мембранного потенциала (первоначально изученной Лапиком в 1907 году). [5] [6]
Не все клетки нервной системы производят спайки того типа, который определяет область применения моделей спайковых нейронов. Например, волосковые клетки улитки , рецепторные клетки сетчатки и биполярные клетки сетчатки не имеют импульсов. Более того, многие клетки нервной системы не классифицируются как нейроны, а относятся к глии .
Активность нейронов можно измерить с помощью различных экспериментальных методов, таких как метод измерения «целая клетка», который фиксирует импульсную активность одного нейрона и создает потенциалы действия полной амплитуды.
При использовании методов внеклеточных измерений один или несколько электродов помещаются во внеклеточное пространство. Пики, часто исходящие от нескольких источников, в зависимости от размера электрода и его близости к источникам, можно идентифицировать с помощью методов обработки сигналов. Внеклеточное измерение имеет ряд преимуществ: