神经元电生理模型的建模方法

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1、万方数据30卷5期2011年lO月中国生物医学工程学报ChineseJournalofBiomedicalEngineeringV01．30No．5October201l神经元电生理模型的建模方法任玉强1柴新禹1任秋实2李丽明h1(上海交通大学生物医学工程学院。上海200240)2(北京大学工学院生物医学工程系，北京100871)摘要：建立神经元电生理模型是神经科学研究中的一个重要组成部分。神经元电生理模型是从已知的生物物理学数据出发模拟神经元的结构及功能，研究神经元的电生理学特性及信息编码功能。文中对从单个神经元

2、建模到神经元网络建模的方法进行了介绍，并讨论了相关方法的研究进展以及常用建模工具。关键词：神经元；电生理模型；建模方法；建模工具中图分类号R318文献标识码A文章编号0258—8021(2011)05-787-09MethodsinNeuronalElectrophysiologicaIModelingRENYu．Qian91CHAIXin．YulRENQiu—Shi2LILi—Min91+‘(SchoolofBiomedicalEngineering，ShanghaiJmowngUniversity，Shangh

3、ai200240。China)2(DepartmentofBiomedicalEngineering，CollegeofEngineering，PekingUniversity，Bering100871，China)Abstract：Neuronalelectrophysiologicalmodelingisanessentialpartinneuroscienceresearch．Basedonthebiophysicalexperimentaldata，theneuronalmodelsareabletosim

4、ulatethestructureandfunctionoftheneuron，andcanbeusedtoinvestigatetheeleetrophysiologicalcharacteristicsandtheinformationencodingoftheneuron．Thisarticlereviewsthemodelingmethodsfromasingleneurontoneuralnetwork．Alsotheresearchprogressofdifferentmethodsandthepopu

5、larsimulationtoolsareintroduced．Keywords：neuron；electrophysiologicalmodel；modelingmethods；simulationtools引言在现代神经科学研究中，探索神经编码、信息传递及处理的生理学机理越来越成为科学工作者关注的焦点。通过数学建模及计算机仿真对神经元及神经元网络进行模拟并揭示其信息编码及传递机理已经成为神经科学家进行科学研究的重要手段。一种具体的实验手段往往只能研究单一层次的问题，而要把许多层次上得到的大量实验数据联系和组织起

6、来并得出定量的规律，对神经系统进行建模及仿真的研究手段发挥了重要的作用。目前，对神经元及神经元网络进行建模的方法有多种，其中，人工神经网络是一种应用类似于大脑神经元突触联接的结构进行信息处理的数学模型，其目的不在于阐明神经信息处理的机制，而在于构建出具有某种特定功能的神经网络模型，以便解决工程上的问题，该内容不在本文的综述范围之内。本文主要对基于神经元生物物理参数进行建模的电生理模型(又称为生物物理模型)的研究方法及进展进行介绍。神经元电生理模型是指从神经元膜的生物物理性质出发，将神经元分成不同的部分，不同部分彼此

7、耦合起来构成整个神经元及神经元网络的建模方法，其目的是用来阐明神经元及神经元网络的电生理学特性以及信息编码机理。神经元电生理模型可以在多个层次上进行建立，以实验研究结果为基础。采用精细的生物物理参数对单个神经元进行建模，可以研究单个离子通道及受体的功能信息以及单个神经元的兴奋特性及动力学机理，而在多神经元网doi：10．3969／j．im．0258_8021．201I．05．024收稿日期：201l-04-15，录用日期：2011-05．1l基金项目：国家自然科学基金(60971102)；国家重点基础研究发展计划(

8、973计划)(2011CB707502)·通信作者。E-mail：lilm@8jtu．edu．cn万方数据中国生物医学工程学报30卷络的水平上建立的模型，能对神经元间的功能联系及神经信息在神经网络中的传递机制进行研究。例如，不同神经元通常包含了各种不同的离子通道和膜受体，不同种类的离子通道在激活电压、失活电压、电导率等电生理学特性上往往具有显著差异，这种差异