計算神経科学¶

Spikuitは神経科学の仕組みを簡略化して、知識のダイナミクスに応用しています。

ニューロンとスパイク¶

graph LR
    A[入力] --> B[蓄積] --> C{閾値?} --> D[発火!] --> E[伝播]
    D -.->|リーク / 減衰| B

生物のニューロンは電気パルス（活動電位）でやり取りする
入力が蓄積して閾値を超えると発火し、リセットされる
Spikuitでは: Spike = 復習イベント。発火するとつながった知識に信号が伝わる

シナプス可塑性 (STDP)¶

「一緒に発火するニューロンは結びつく」 — Hebb, 1949

STDPはHebbの法則に「時間の向き」を加えた精緻化です:

プレがポストより先に発火（因果的）→ 接続が強まる（LTP）
ポストがプレより先に発火（逆因果）→ 接続が弱まる（LTD）
変化量は|dt|に対して指数的に減衰
Spikuitでは: tau_stdp日（デフォルト: 7）以内の共発火でエッジ重みを更新

漏れ積分発火モデル (LIF)¶

ニューロンは入力を蓄積（積分）しつつ、徐々に電荷が抜けていく（漏れ）
圧力が高い = 「この概念は復習したほうがいい」というシグナル
Spikuitでは: 近傍の復習で圧力が上がり、時間とともに指数的に減衰

活性化拡散¶

graph LR
    subgraph activated [" "]
        dog(("犬")):::fired -->|プライミング| cat(("猫")):::primed
        dog -->|プライミング| bone(("骨")):::primed
        dog -->|プライミング| walk(("散歩")):::primed
    end
    subgraph not_activated [" "]
        algebra(("代数")):::inactive
    end

    classDef fired fill:#E53935,color:#fff,stroke:#B71C1C
    classDef primed fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    classDef inactive fill:#EEEEEE,stroke:#BDBDBD,color:#666
    style activated fill:none,stroke:#E0E0E0,stroke-dasharray:4
    style not_activated fill:none,stroke:#E0E0E0,stroke-dasharray:4

ある概念を活性化すると、関連する概念も一緒にプライミングされる（Collins & Loftus, 1975）
Spikuitでは: 1つのノードを復習するとAPPNP（Personalized PageRank）でグラフ近傍に活性化が広がる

睡眠にヒントを得た統合¶

睡眠中の記憶統合には複数のフェーズがあります:

徐波睡眠 (SWS): 大事な記憶をリプレイして強化する
シナプスホメオスタシス (SHY): シナプスの重みを全体的に下げて飽和を防ぐ（Tononi & Cirelli, 2003）
REM: 記憶を再編成・抽象化し、パターンを見つけ出す

Spikuitのconsolidateはこれを4フェーズの計画として実行します: Triage（Synapseの分類）→ SHY（弱い接続の減衰）→ SWS（不要な接続の剪定）→ REM（統合機会の検出）

参考文献¶

Hodgkin, A. L. & Huxley, A. F. (1952). A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. Journal of Physiology, 117(4), 500–544.
Hebb, D. O. (1949). The Organization of Behavior. Wiley.
Bi, G. & Poo, M. (1998). Synaptic modifications in cultured hippocampal neurons: dependence on spike timing, synaptic strength, and postsynaptic cell type. Journal of Neuroscience, 18(24), 10464–10472.
Collins, A. M. & Loftus, E. F. (1975). A spreading-activation theory of semantic processing. Psychological Review, 82(6), 407–428.
Tononi, G. & Cirelli, C. (2003). Sleep and synaptic homeostasis: a hypothesis. Brain Research Bulletin, 62(2), 143–150.
Tononi, G. & Cirelli, C. (2014). Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron, 81(1), 12–34.