ニューロンとは

図 2.1: ニューロンの構造

生物の情報処理を行う基本的な要素として神経細胞（ニューロン）がある。 ニューラルネットワークとは、その神経細胞が網状につながったシステムのことである。 脳の神経細胞は、$10^{10}$個から$10^{11}$個程度といわれており、その各神経細胞が並列で分散して情報処理を行っている。脳では、神経細胞のネットワークであるニューラルネットワークの情報処理結果として、画像認識、音声認識、思考などが行われている。

ニューロンは、図2.1に示した構造になっている。ニューロンは、細胞体と呼ばれる本体、本体から突き出した樹状突起、他の細胞へとつながる軸索からなる。細胞体の中央には、核があり細胞膜で囲まれている。このニューロンは、樹状突起か細胞体で入力信号を受けることにより、細胞で信号処理をして、軸索を通して出力信号を出している。

軸索はその末端が他の神経細胞の樹状突起または細胞体に付着しており、樹状突起はニューロンの入力部位、軸索は信号伝送路と考えられている。軸索と他の神経細胞との結合部分のことをシナプスと呼ぶ。また、軸索は十〜数百に分岐しており、シナプスを通して多くのニューロンと３次元的に結合している。さらに１つの細胞が受けるシナプスの数は数百から数万に及ぶとされている。これにより、脳内ではシナプスがニューロンを繋げることで、ごく短時間で入力された膨大な情報を処理することが可能となる。 シナプスには興奮性シナプスと抑制性シナプスの二種類がある。信号伝達時に信号が正になるか負になるかは、信号を出力する側のニューロンによって決まり、受信する側のニューロンではそれぞれのニューロンからの刺激の総和を入力として受け取る。

神経細胞の細胞膜の内外には膜電位と呼ばれる電位差があり、細胞外を基準（$0$V）とすると通常$-70$mV程度に保たれている。この負の電位を静止電位と呼ぶ。膜電位が外部からの入力により正方向に変化した時、その値がある値を越えると急激に上昇して、正電位に達した後に元の電位に戻る。膜電位がこのように変化したとき、ニューロンは興奮した、あるいは発火したという。また正になった時の膜電位を活動電位と呼ぶ。

細胞の発火は閾値を超えさえすれば起こり、膜電位の時間的な変化は閾値の超え方によらず一定である。このことは「全か無の法則」と呼ばれる。

発火した直後の細胞は発火し得ず、その期間を絶対不応期と呼ぶ。絶対不応期を過ぎると細胞は再び発火できるようになるが、閾値は一時的に高くなり、しばらく発火しにくくなる。その期間を相対不応期と呼び、その性質を不応性と呼ぶ。相対不応期において、閾値が指数関数的に減少することが知られている。