نموذج العصبون الحيوي

العصبون والمحور الميلاني، مع سير الإشارة العصبية نحو الزوائد العصبية.
نموذج العصبون الحيوي، يعرف أيضًا باسم نموذج العصبون الحسكي (بالإنجليزية: Spike) «تصاعد على شكل حسكي»، هو توصيف رياضي لخصائص خلايا معينة في الجهاز العصبي التي تولد كمونات عمل كهربائية حادة عبر غشاء الخلية، في مدة ميللي ثانية واحدة تقريبًا، كما هو موضح في الشكل رقم 1. تعرف العصبونات الحسكية على أنها وحدات تأشير رئيسية للجهاز العصبي، ولهذا السبب تمثل عملياتها أهمية كبرى. من الجدير بالذكر عدم إنتاج كافة الخلايا في الجهاز العصبي لهذا النوع من الحسكات التي تحدد نطاق نماذج العصبونات الحسكية. على سبيل المثال، لا تنتج الخلايا المشعرة القوقعية، وخلايا المستقبلات الشبكية، والخلايا الشبكية ثنائية القطب، الحسكات. إضافةً لعدم تصنيف العديد من خلايا الجهاز العصبي على أنها عصبونات، وإنما تُصنف على أنها دبق عصبي.
بشكل أساسي، تهدف نماذج العصبونات لشرح الآليات الكامنة خلف عملية الجهاز العصبي بهدف استعادة قدرات التحكم المفقودة مثل الإدراك (مثلًا الصمم أو العمى)، واتخاذ القرارات المحركة للحركات، والتحكم الطرفي المستمر. وبالنسبة لذلك، تتميز نماذج العصبونات الحيوية عن نماذج العصبونات الاصطناعية أنها لا تفترض توقع مخرجات التجارب التي يشترك بها النسيج العصبي الحيوي (بالإضافة لاهتمام نماذج العصبونات الاصطناعية بتنفيذ الإدراك والمهام التقديرية). وفقًا لذلك، تعتبر الصلاحية التجريبية الجانب الهام من نماذج العصبونات الحيوية، بالإضافة لاستخدام الوحدات الفيزيائية لوصف العمليات التجريبية المشتركة مع نموذج التوقعات.
قد تُقسم نماذج العصبونات إلى صنفين وفقًا للوحدات الفيزيائية الخاصة بواجهة النموذج. يمكن تقسيم كل صنف أيضًا وفقًا لمستوى التجريد/التفصيل:
نماذج مدخلات-مخرجات الغشاء الكهربائية المتعلقة بالجهد الكهربائي-تنتج هذه النماذج توقعات تخص مخرجات الغشاء المتعلقة بالجهد الكهربائي كوظيفة للتنبيه الكهربائي في مرحلة المدخلات (المتعلقة بالجهد الكهربائي أو ذات التيار). تختلف النماذج العديدة في هذا الصنف في علاقاتها الوظيفية بين مدخلات التيار والمخرجات المتعلقة بالجهد الكهربائي وفي مستوى التفاصيل. بعض النماذج في هذا الصنف هي نماذج صندوق أسود، ويمكن تمييزها فقط بين مستويي قياس للجهد الكهربائي: ظهور الحسكة (التي تعرف أيضًا باسم «جهد الفعل») أو حالة السكون. تكون النماذج الأخرى أكثر تفصيلًا وتعود إلى العمليات ما تحت الخلوية.
نماذج مدخلات العصبونات الدوائية أو الطبيعية-ترتبط النماذج في هذا الصنف بين مدخلات التنبيه التي قد تكون إما دوائية أو طبيعية، من أجل احتمالية حدوث الحسكة. مرحلة مدخلات هذه النماذج ليست كهربائية، وإنما تكون إما دوائية (كيميائية) وحدات التركيز، أو وحدات فيزيائية التي تتجسد بتنبيه خارجي مثل الضوء، أو الصوت، أو أشكال أخرى من الضغط الفيزيائي. إضافةً لذلك، تمثل مرحلة المخرجات احتمالية حدوث الحسكة ولا تكون كهربائية متعلقة بالجهد الكهربائي. نموذجيًا، تُعاير احتمالية هذه المخرجات (مقسمةً بواسطة) الثابت الزمني، وتدعى احتمالية المعايرة الناتجة «معدل الإطلاق» وله واحدة الهرتز. يُظهر التوصيف الاحتمالي من خلال النماذج في هذا الصنف تأثره بالتجارب المخبرية التي تشمل إما تنبيهًا دوائيًا أو طبيعيًا والتي تُظهر تباينًا في نمط الحسكات الناتج. ومع ذلك، عند حساب متوسط النتائج التجريبية من خلال عدة تجارب، يُكتشف نمط واضح غالبًا.
على الرغم من أن وجود عدة نماذج توصيفية لمستويات مختلفة من التجريد/التفصيل لا يعتبر اعتياديًا في العلوم والهندسة، يعد عدد نماذج العصبونات الحيوية المختلفة، وفي بعض الأحيان المتناقضة، استثنائيًا بشكل كبير. هذه الحالة هي جزئيًا نتيجة للعديد من الإعدادات التجريبية المختلفة، والصعوبات في فصل الخواص داخلية المنشأ لعصبون مفرد عن تأثيرات القياسات وتفاعلات العديد من الخلايا (تأثيرات الشبكة). لتسريع التقاء النظرية الموحدة، أدرجنا قائمة لعدة نماذج في كل صنف، أشرنا أيضًا للتجارب الداعمة حيثما أمكن.