مدل نورون بیولوژیک

آکسون نورون و میلین شده با جریان سیگنال از ورودی در دندریتها به خروجی در پایانه‌های آکسون
شکل ۱. پتانسیل عمل عصبی ("اسپایک"). توجه داشته باشید که دامنه و شکل دقیق پتانسیل عمل می‌تواند با توجه به تکنیک آزمایشی دقیق مورد استفاده برای دستیابی به سیگنال متفاوت باشد.
مدل نورون بیولوژیک (به انگلیسی: Biological neuron model)معمولاً به عنوان یک مدل نورون اسپایک (به انگلیسی: spiking neuron model) شناخته می‌شود، توضیحی ریاضی از خواص سلول‌های خاص و مشخص در سیستم عصبی است که پتانسیل‌های الکتریکی نیز  در سراسر غشای سلولی خود ایجاد می‌کند در تقریباً یک میلی ثانیه ، همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده مشاهده میکنید. نورون های اسپایک به عنوان یک واحد مهم سیگنالینگ سیستم عصبی شناخته می‌شوند و به همین دلیل توصیف عملکرد آنها از اهمیت بالایی برخوردار است. شایان ذکر است که تمام سلولهای سیستم عصبی نوع اسپایکی را تولید نمی‌کنند که در دامنه ی تعریفی مدل نورون های اسپایک تعریف شده است. به عنوان مثال سلولهای موی  حلزون، سلولهای گیرنده شبکیه و سلولهای دو قطبی شبکیه اسپایک ندارند. علاوه بر این، بسیاری از سلولهای سیستم عصبی به عنوان سلولهای عصبی طبقه‌بندی نمی‌شوند بلکه درعوض به عنوان گلیا طبقه‌بندی می شوند.
درنهایت، مدلهای عصبی بیولوژیکی با هدف بازگرداندن قابلیتهای کنترل از دست رفته مانند ادراک ، تصمیم‌گیری و کنترل مداوم اندام، مکانیسمهای اساسی عملکرد سیستم عصبی را توضیح می‌دهند. به این معنا، مدل‌های نورون بیولوژیکی با مدل‌های نورون مصنوعی که پیش‌بینی نتایج آزمایش‌های مربوط به بافت عصبی بیولوژیکی فرض نمی‌شوند متفاوت است (اگرچه مدل‌های نورون مصنوعی نیز به اجرای وظایف ادراک و تخمین مربوط هستند). بر این اساس، یک جنبه مهم از مدل‌های نورون بیولوژیکی، اعتبار سنجی آزمایشی و استفاده از واحدهای فیزیکی برای توصیف روش آزمایشی مرتبط با پیش‌بینی‌های مدل است.
مدل‌های نورون را می‌توان با توجه به واحدهای فیزیکی رابط مدل، به دو دسته تقسیم کرد. هر طبقه می‌تواند بیشتر با توجه به سطح انتزاع و جزئیات تقسیم شود:
مدلهای ولتاژ غشایی ورودی-خروجی الکتریکی : این مدلها پیش‌بینی ولتاژ خروجی غشاها را به عنوان تابعی از تحریک الکتریکی در مرحله ورودی (یا ولتاژ یا جریان) تولید می‌کنند. مدل‌های مختلف در این گروه در رابطه عملکردی دقیق بین جریان ورودی و ولتاژ خروجی و در سطح جزئیات متفاوت هستند. برخی از مدل‌های این گروه مدل‌های جعبه سیاه هستند و فقط بین دو سطح ولتاژ اندازه‌گیری شده تمایز قائل می‌شوند: وجود اسپایک  یا حالت ساکن. مدل‌های دیگر جزئیات بیشتری دارند و فرایندهای زیر سلولی را تشکیل می‌دهند.
مدل‌های نورون ورودی طبیعی یا دارویی : مدل‌های این گروه بین محرک ورودی که می‌تواند دارویی یا طبیعی باشد، به احتمال وقوع اسپایک متصل می‌شوند. مرحله ورودی این مدل‌ها الکتریکی نیست، بلکه دارای واحدهای تمرکز دارویی و شیمیایی یا واحدهای فیزیکی است که محرک خارجی مانند نور، صدا یا سایر اشکال فشار فیزیکی را توصیف می‌کند. علاوه بر این، مرحله خروجی نشان دهنده یک ولتاژ الکتریکی نیست بلکه نشان دهنده ی احتمال وقوع اسپایک است .  معمولاً، این احتمال خروجی به‌طور ثابت تقسیم بر یک زمان ثابت عادی می‌شود و احتمال عادی شده در نتیجه «سرعت شلیک یا آتش (به انگلیسی: Fire) » نامیده می‌شود و دارای واحد هرتز است. توصیف احتمالی گرفته شده توسط مدلهای این گروه از نتایج آزمایشی شامل تحریک طبیعی یا دارویی که دارای تغییرپذیری در الگوی اسپایک حاصل هستند، الهام گرفته شده‌است. با این وجود، وقتی میانگین این نتایج آزمایشی در چندین آزمایش انجام می‌شود، الگوی مشخصی اغلب آشکار می‌شود.
اگرچه در علم و مهندسی چند مدل توصیفی برای سطوح مختلف انتزاع  وجود ندارد، اما تعداد مدلهای نورون‌های مختلف، گاهی متناقض، بسیار زیاد است. این وضعیت تا حدودی نتیجه بسیاری از تنظیمات آزمایشی مختلف است . دشواری جدا کردن خصوصیات ذاتی یک نورون واحد از اثرات اندازه‌گیری و تعامل بسیاری از سلول‌ها (اثرات شبکه) نیز مسبب این وضعیت نیز هست. برای تسریع همگرایی به یک نظریه واحد، ما در هر گروه چندین مدل را لیست می‌کنیم، و در صورت کاربرد، اشاراتی نیز به پشتیبانی از آزمایش‌ها می‌کنیم.