スパイクタイミング依存可塑性

スパイクタイミング依存性可塑性( STDP ) は、脳内のニューロン間の接続の強度を調整する生物学的プロセスです。このプロセスは、特定のニューロンの出力および入力活動電位(またはスパイク) の相対的なタイミングに基づいて接続の強度を調整します。STDP プロセスは、特に長期増強と長期抑制に関して、神経系の活動依存的な発達を部分的に説明します。

STDP プロセスでは、ニューロンへの入力スパイクが平均してそのニューロンの出力スパイクの直前に発生する傾向がある場合、その特定の入力はいくらか強くなります。入力スパイクが平均して出力スパイクの直後に発生する傾向がある場合、その特定の入力はいくらか弱くなります。これが「スパイクタイミング依存可塑性」です。したがって、シナプス後ニューロンの興奮の原因となる可能性のある入力は、将来的に寄与する可能性がさらに高まり、シナプス後スパイクの原因ではない入力は、将来的に寄与する可能性が低くなります。このプロセスは、最初の接続セットのサブセットが残り、他のすべての影響が 0 になるまで続きます。ニューロンは、その入力の多くが短時間内に発生すると出力スパイクを生成するため、残る入力のサブセットは、時間的に相関する傾向があるものです。さらに、出力の前に発生する入力が強化されるため、相関関係の最も早い兆候を提供する入力が最終的にニューロンへの最終入力になります。

1973年、MMテイラー^[1]は、シナプス前スパイクがシナプス後スパイクの直前に発生する頻度が高いシナプスが強化され（ヘブ学習）、反対のタイミングまたは近いタイミングでのシナプス前スパイクがない場合にはシナプスが弱まる（反ヘブ学習）と、入力パターンを情報的に効率的に再コード化できると示唆した。この提案は神経科学界では注目されなかったようで、その後の実験はこれらの初期の提案とは独立して考案された。

連合可塑性に関する初期の実験は、1983年にWB LevyとO. Stewardによって行われ^[2]、可塑性に対するシナプス前活動電位とシナプス後活動電位の相対的なタイミングの影響をミリ秒レベルで調べました。ブルース・マクノートンもこの分野に大きく貢献しました。 1992年にY. DanとMu-ming Pooによって行われた神経筋シナプスの研究^[3]と、1994年にD. Debanne、B. Gähwiler、S. Thompsonによって行われた海馬の研究^[4]では、シナプス後活動とシナプス活動の非同期ペアリングが長期的なシナプス抑制を引き起こすことが示されました。しかし、STDPは、ヘンリー・マークラムが1993年までバート・ザックマン研究室でポスドク研究員をしていたときに、より明確に実証されました（1994～1995年のSFNおよびPhys Soc抄録）。それが発表されたのは1997年になってからでした。 ^[5] C.ベルと同僚も小脳でSTDPの一種を発見しました。ヘンリー・マークラムは、デュアルパッチクランプ技術を使用して、シナプス後標的ニューロンを活性化する10ミリ秒前にシナプス前ニューロンを繰り返し活性化し、シナプスの強度が増加することを発見しました。活性化の順序を逆にして、シナプス前ニューロンがシナプス後標的ニューロンの10ミリ秒後に活性化されると、シナプス前とシナプス後の接続の強度は低下しました。 1998 年に Mu-Ming Poo 研究室で Guoqiang Bi、Li Zhang、Huizhong Tao が行ったさらなる研究^[6]では、シナプス前およびシナプス後活動とシナプス変化に関連する時間経過全体のマッピングを継続し、シナプス後スパイクの 5 ～ 20 ms 前に活性化されたシナプスは準備段階で強化され、スパイク後の同様の時間枠内に活性化されたシナプスは一時的に弱まることが示されました。その後、最初は高度に非対称であった STDP ウィンドウが、誘導後 3 日でより対称的な「LTP のみ」ウィンドウに変わることが示されました。^[7]スパイクタイミング依存の可塑性は、発達中のヘブ学習の基質であると考えられています。^{[8] [9]} 1973 年にTaylor ^[1]が示唆したように、ヘブ学習ルールは、関連したニューロンの束に情報効率の高いコーディングを作成する可能性があります。 STDPは培養ニューロンと脳スライス標本で最初に発見されましたが、無傷の動物の感覚刺激によっても実証されています。^[10]

シナプス後NMDA受容体（NMDAR）は膜電位に非常に敏感です（神経生物学における同時検出を参照）。カルシウム透過性が高いため、NMDA受容体とAMPA受容体がまだグルタミン酸に結合しているときに、シナプスが活性化した直後（プレポストスパイク）に樹状突起の逆伝播活動電位が到達したときに最大となる局所化学信号を生成します。 ^{[11]シナプス後カルシウムの大きなトランジェントはシナプス増強（}長期増強）を引き起こすことが知られています。スパイクタイミング依存性抑制のメカニズムはあまりよくわかっていませんが、シナプス後電圧依存性カルシウム流入/ mGluR活性化、または逆行性エンドカンナビノイドとシナプス前NMDARのいずれかが関与していることがよくあります。^[12]

ヘブの法則によれば、シナプスがシナプス後標的ニューロンの発火に持続的に関与する場合、シナプスの効率は向上します。同様に、シナプス前標的の発火がシナプス後標的の発火と持続的に独立している場合、シナプスの効率は低下します。これらの原則は、よく記憶術で簡略化されます。つまり、一緒に発火するニューロンは一緒に配線され、同期せずに発火するニューロンはリンクを失います。ただし、2 つのニューロンが正確に同時に発火する場合、一方が他方の発火を引き起こしたり、発火に関与したりすることはできません。代わりに、シナプス後ニューロンの発火に関与するには、シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンの直前に発火する必要があります。様々な刺激間の非同期性を持つ2つの接続されたニューロンを刺激する実験により、ヘブの原理に暗黙的に含まれる時間的関係の重要性が確認されました。つまり、シナプスが増強または抑制されるためには、シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンの直前または直後にそれぞれ発火する必要があります。^[13]さらに、シナプス可塑性が確実に発生するためには、シナプス前ニューロンの発火がシナプス後ニューロンの発火を一貫して予測する必要があることが明らかになっています。^{[14]これは、}古典的条件付けにおける偶然性の重要性について知られていることをシナプスレベルで反映しており、偶然性がゼロの手順では、2つの刺激の関連付けが妨げられます。

最も効率的な STDP を実現するには、シナプス前信号とシナプス後信号を約 12 ミリ秒離す必要があります。しかし、数分以内に発生するイベントは、通常、海馬によってエピソード記憶としてリンクされます。この矛盾を解決するために、シータ波と位相歳差に依存するメカニズムが提案されています。さまざまな記憶エンティティ (場所、顔、人など) の表現は、思い出されるエピソード中の特定のシータ位相で、各シータサイクルで繰り返されます。予想、進行中、完了したエンティティは、それぞれ初期、中期、後期シータ位相を持ちます。海馬のCA3領域では、リカレント ネットワークが隣接するシータ位相を持つエンティティを一致するものに変換し、STDP がそれらをリンクできるようにします。実験的に検出可能な記憶シーケンスは、後続の (隣接する) 表現間の接続を強化することによってこのように作成されます。^[15]

STDP の原理は、人工スパイク ニューラル ネットワークのトレーニングに利用できます。このアプローチを使用すると、シナプス前スパイク ( ) が発生する時間がシナプス後スパイク ( ) の時間より少し前である場合、つまり および である場合、2 つのニューロン間の接続の重みが増加します。重みの増加の大きさは の値に依存し、 の値が増加すると次の式で示される指数関数的に減少します。 ${\displaystyle t_{pre}}$${\displaystyle t_{post}}$${\displaystyle t=t_{post}-t_{pre}}$${\displaystyle t>0}$${\displaystyle t}$${\displaystyle t}$

${\displaystyle A_{+}\exp {\left({\frac {-t}{\tau _{+}}}\right)}}$

ここで、 は最大可能変化であり、 は時定数です。 ${\displaystyle A_{+}}$${\displaystyle \tau_{+}}$

逆のシナリオ、つまりシナプス後スパイクがシナプス前スパイクの前に発生した場合、重みは次の式に従って減少します。

${\displaystyle A_{-}\exp {\left({\frac {-t}{\tau _{-}}}\right)}}$

ここで、およびはそれぞれ、最大可能変化と時間定数を定義するという、前と同じ機能を果たします。 ${\displaystyle A_{-}}$${\displaystyle \tau_{-}}$

減衰プロファイルを定義するパラメータ ( 、など) は、必ずしもネットワーク全体で固定されている必要はなく、異なるシナプスには異なる形状が関連付けられている場合があります。 ${\displaystyle A_{+}}$${\displaystyle A_{-}}$

生物学的証拠によれば、このペアワイズSTDPアプローチでは生物学的ニューロンの完全な記述はできないことが示唆されており、対称的な三つ組のスパイク（前-後-前、後-前-後）に注目するより高度なアプローチが開発されており、これらはより生物学的に妥当であると考えられている。^[16]

• シナプス可塑性
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• スパイクタイミング依存可塑性 - Scholarpedia