Controlling the spontaneous firing behavior of a neuron with astrocyte
近年来越来越多的证据表明,星形胶质细胞,胶质细胞的一种亚型,不仅为神经元和突触提供代谢和结构支持,而且在调节神经系统的正常功能中起关键作用。在这项工作中,我们研究星形胶质细胞对神经元自发放电活动的影响,通过一个组合模型,其中包括一个神经元-星形胶质细胞对。首先,我们表明,星形胶质细胞可以提供一种多稳定性的神经元动力学诱导不同的放电模式,如随机和突发尖峰。然后,我们确定了这种行为的潜在机制,并寻找可能在不同的放电机制中起调节作用的星形胶质细胞因子。更具体地说,我们探讨了星形胶质细胞如何参与发生和控制的自发不规则尖峰活动的神经元在随机尖峰模式。此外,我们还系统地研究了神经元在与星形胶质细胞细胞内环境相关的生物物理因素变化下的突发性放电机制。研究发现,与神经元偶联的星形胶质细胞可以为自发放电不规则性和突发放电统计提供控制机制,即,突发规律和大小。
2022-04-22 nlin.CD q-bio.NC
Exact firing time statistics of neurons driven by discrete inhibitory noise
完整脑中的神经元接受来自兴奋性和抑制性突触前神经元的连续和不规则的突触轰击,这决定了受刺激神经元的放电活动。为了研究抑制性刺激对放电时间统计的影响,我们考虑了受抑制性瞬时突触后电位影响的Leaky Integrate-and-Fire神经元。特别是,我们报告准确的结果,放电率,变异系数和脉冲序列频谱的各种突触的重量分布。我们的研究结果并不局限于刺激的无穷小幅度,但它们也适用于有限幅度的突触后电位,从而能够捕捉到罕见的和大的尖峰的效果。所开发的方法也能够再现异质神经元群体的平均放电特性。
2017-03-13 cond-mat.dis-nn nlin.AO q-bio.NC
Periodic and non-periodic brainwaves emerging via random syncronization of closed loops of firing neurons
电生理信号的周期性和非周期性分量被建模为马尔可夫链中相关的放电神经元的闭环的同步序列。放电神经元的单个闭合回路再现基波和谐波分量,在功率谱中以频率范围约为从$0.5 Hz$到$ 100 Hz$的线出现。通过考虑多个闭环的同步序列,脑电波信号的进一步有趣的特征出现了。特别是,我们表明,同步环路的数量的波动导致宽带功率谱分量的发病。通过同步回路的数量的波动和相关宽带分量的出现的影响,观察到高度失真的波形和信号的非平稳性,与经验EEG和MEG信号一致。使用典型的放电神经元脉冲幅度和持续时间的周期性和非周期性分量的分析关系进行评估。
2022-08-30 q-bio.NC
Firing dynamics of an autaptic neuron
自突触是神经系统中连接神经元与自身的突触。先前的实验和理论研究都表明,神经系统中的自适应连接具有重要的生理功能。自然界中的Autapses提供自延迟反馈,从而为神经元活动引入额外的时间尺度,并导致神经元的许多动力学行为。最近,理论研究表明,autapse提供了一个控制选项,用于调整神经元的反应:例如,自触连接可以使Hindmarsh-Rose神经元的电活动在静止、周期性和混沌激发模式之间切换;自触可以增强或抑制注入正弦电流的神经元的锁模状态;并且响应脉冲序列的激发频率和脉冲间隔分布也可以被自触修改。在本文中,我们回顾了最近的研究表明,autapse如何影响单个神经元的反应。
2015-09-18 physics.bio-ph q-bio.NC
Influence of synaptic interaction on firing synchronization and spike death in excitatory neuronal networks
我们研究了兴奋性神经元网络中突触相互作用的效能对放电同步的影响。我们发现了尖峰死亡现象,即神经元的状态从极限环过渡到不动点或瞬态。这些现象是在兴奋性突触相互作用的扰动下发生的,具有很高的功效。结果表明,突触电流的降低通过抑制钠离子电流的反馈而导致锋电位死亡。在具有锋电位死亡特性的网络中,同步程度较低,对神经元的异质性不敏感。其影响机制是神经元状态的转换破坏了神经元振荡节律的调整,阻止了放电同步性的进一步提高。
2008-11-17 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Graded persisting activity of heterogeneous neuron ensembles subject to white noises
干扰,如噪声和参数的异质性的影响进行了研究,对集体神经元的放电活动,其中每一个都是由扩展的Morris-Lecar模型描述的,显示了一个包括${\rm Ca}^{2+}$依赖的阳离子电流的帮助下,分级持续放电。虽然{ \it single}神经元的持续活动在某种意义上是相当鲁棒的,即使在存在分心的情况下也能实现活动,但持续放电的分级频率容易受到分心的影响。然而,已经表明,{ \it集合}神经元的分级持续活动对于池化(集合)效应的分心变得更加鲁棒。耦合的引入增强了集合神经元放电的同步性,有利于靶神经元的放电。
2004-01-22 q-bio.NC
Lognormal distribution of firing time and rate from a single neuron?
由于充电离子电流中的噪声,即使单个神经元也能够在其激发统计中产生显著的对数正态特征。先进纳米技术中引入的数学方案与在最简单的情况下分析这种机制有关,即在充电离子电流中具有白噪声的积分和点火模型。
2015-01-19 physics.bio-ph q-bio.NC
Low Dimensional Dynamics of Globally Coupled Complex Riccati Equations: Exact Firing-rate Equations for Spiking Neurons with Clustered Substructure
该研究提出全局耦合异质复Riccati方程系综的精确理论,针对洛伦兹异质性实现大幅降维,并借此得到具有簇状子结构的脉冲神经元群体的低维放电率方程。
2025-05-20 nlin.SI q-bio.NC
Improving the Entropy Estimate of Neuronal Firings of Modeled Cochlear Nucleus Neurons
在这一通信信息理论工具被用来调查模型耳蜗核球状丛状细胞脉冲序列的统计特性。从模拟软件获得放电模式,该模拟软件从任何听觉输入生成样本脉冲序列。在这里,我们分析了第一次的球状丛细胞的反应,有声和无声的语音声音。经典的熵估计,如直接方法,通过考虑时变和时间依赖的熵估计的改进。用这种方法,我们研究了听觉信号中神经元响应的可预测性与频率含量之间的关系。该分析量化了神经元响应中神经元编码和记忆的时间精度。
2012-04-24 cs.IT math.IT q-bio.NC
Normalisation of Weights and Firing Rates in Spiking Neural Networks with Spike-Timing-Dependent Plasticity
保持稀疏激发的能力对于神经网络中的信息编码至关重要。此外,尖峰稳态对于具有变化的权重和神经元数量的脉冲神经网络至关重要。我们讨论了一系列的网络稳定的方法,灵感来自稳态突触可塑性机制在大脑中报告。这些包括权重缩放,以及作为网络尖峰活动函数的权重变化。我们测试了所有神经元和神经元类型的权重总和的归一化。我们研究了这种方法如何影响射击率和性能的时间序列数据的聚类移动的几何形状的形式。我们发现,神经元类型特定的归一化是防止脉冲神经网络中权重漂移的一种很有前途的方法,从而实现更长的训练周期。它可以适用于具有架构可塑性的网络。
2019-09-30 cs.NE q-bio.NC
Population rate codes carried by mean, fluctuation and synchrony of neuronal firings
一群放电神经元不仅通过平均放电率传递信息,而且通过神经元之间的波动和同步传递信息。为了检验这种可能性,我们研究了神经元集合对三种输入的反应:均值驱动输入、波动驱动输入和同步驱动输入。提出了一种包含加性和乘性噪声的广义率码模型(H。Hasegawa,Phys. Rev. E { \bf 75}(2007)051904)已经通过直接模拟(DS)和增广矩方法(AMM)进行了研究,其中导出了平均点火率、波动和同步的运动方程。AMM的计算结果与DS的计算结果吻合较好。独立成分分析(ICA)的结果表明,平均放电率,波动(或变异)和同步性可能携带独立的信息,在人口率代码模型。平均放电率的输入输出关系示出了更大的乘性噪声,最近观察到在前额叶皮层具有更高的灵敏度。的综合和消防(IF)模型和我们的率代码模型所获得的结果之间的比较。
2008-10-18 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Relation between firing statistics of spiking neuron with instantaneous feedback and without feedback
我们考虑了一类广泛的尖峰神经元模型,定义了相当一般的一组条件,典型的基本模型,如泄漏集成和消防,或绑定神经元模型。一个神经元被输入一个点更新过程。导出了三个概率密度函数(pdf)之间的关系:(i)输入峰间期的pdf,(ii)具有瞬时反馈的神经元的输出峰间期的pdf和(iii)没有反馈的同一神经元的pdf。这允许计算三个pdf中的任何一个,只要给出另外两个。相应的均值和方差之间的相似关系。对于绑定神经元模型,精确地检查关系。
2015-02-12 q-bio.NC
Multistability, local pattern formation, and global collective firing in a small-world network of non-leaky integrate-and-fire neurons
本文研究了二维小世界网络中脉冲耦合非泄漏积分-点火神经元的集体动力学行为。为了确保持续的活动,我们对每个神经元施加自发放电的概率。我们研究了网络动力学从不同的初始条件依赖于耦合强度和重布线概率。除了一个均匀的平衡态低耦合强度,我们观察到不同的本地模式,包括循环波,螺旋波,和顺从样的模式,这-取决于网络参数-干扰的全球集体发射的神经元。我们属性的各种网络动态参数空间中的不同制度。对于相同的网络参数,可以观察到不同的网络动力学,这仅取决于初始条件的集合。这种多稳态行为以及局部斑图形成和全局集体放电之间的相互作用可能归因于生物网络的时空动力学。
2012-02-14 physics.comp-ph q-bio.NC
Attentional modulation of firing rate and synchrony in a model cortical network
当注意力被引导到V4神经元的感受野中时,其对比度响应曲线被移动到较低的对比度值(Reynolds等人,2000,Neuron 26:703)。注意力还增加了对相同刺激作出反应的神经元之间的相干性(Fries等人,2001,Science 291:1560)。我们研究了密集互联的皮层网络的放电率和同步性如何随对比度变化,以及它们如何被注意力调制。我们发现,增加驱动电流的兴奋性神经元增加了网络的整体放电率,而变化的驱动电流的抑制性神经元调制的网络的同步性。我们解释的同步调制的锁定现象,在此期间的比率的兴奋性,抑制性放电率是近似恒定的范围内的驱动电流值。我们探讨了这一假设,即对比度主要表示为兴奋性神经元的驱动,而注意力对应于抑制性神经元的驱动电流的减少。利用这一假设,该模型再现了以下实验观察结果:(1)兴奋性神经元的放电率随对比度的增加而增加;(2)对于高对比度刺激,放电率饱和,网络振荡;(3)注意使对比度响应曲线向低对比度值移动;(4)与注意状态相比,注意力导致更强的同步,这种同步从较低的对比度值开始。此外,它预测注意力增加了网络产生的抑制性和兴奋性同步齐射之间的延迟,允许刺激招募更多的下游神经元。
2005-12-11 q-bio.NC
Low-dimensional firing-rate dynamics for populations of renewal-type spiking neurons
本文通过不应期密度方程的特征模态展开,为更新型脉冲神经元群体推导了能捕捉脉冲同步效应的低维放电率模型,并建立了特征值与脉冲间隔分布拉普拉斯变换的简单关系。
2020-03-20 q-bio.NC
Low-dimensional firing rate dynamics of spiking neuron networks
从频谱扩展的Fokker-Plank方程的膜电位密度在网络的尖峰神经元,低维动力学的集体放电率。因此,通过考虑最慢的$n$展开模式,可以计算出网络活动的$n$阶常微分方程。由此产生的低维动力学自然地考虑到突触耦合的强度下的假设,不太快变化的膜电位密度。通过只考虑两个最慢的模式,发射率动态相当于一个阻尼振荡器,其中的角频率和弛豫时间是状态相关的。所提出的结果适用于广泛的一类网络的一室神经元模型。
2016-09-28 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Associative properties of structural plasticity based on firing rate homeostasis in recurrent neuronal networks
基于相关性的赫布可塑性被认为在发育和学习过程中塑造神经元的连接,而稳态可塑性将稳定网络活动。在这里,我们调查另一个,新的方面,这种二分法:赫布的关联属性也出现作为一个网络效应的可塑性规则的基础上,在神经元水平上的稳态原则?为了解决这个问题,我们模拟了一个经常性的网络泄漏集成和消防神经元,其中兴奋性连接受到结构可塑性规则的基础上放电率稳态。我们发现,一个亚组的神经元发展更强的组内连接的结果,接受更强的外部刺激。在一个实验记录良好的情况下,我们表明,功能特定的连接,类似于在啮齿动物视觉皮层中观察到的,可以出现这样的可塑性规则。由刺激引发的依赖于经验的结构变化是持久的,只有当神经元再次暴露于非特异性外部输入时才会缓慢衰减。
2018-02-24 q-bio.NC
Exact low-dimensional description for fast neural oscillations with low firing rates
针对低放电率不规则神经放电下快速振荡的建模难题,拓展推导含噪声的QIF神经元精确放电率模型,证明随机与确定性网络演化方程一致,调和同步理论分歧并提升模型生物适用性。
2024-02-01 nlin.AO q-bio.NC
Processing of information in synchroneously firing chains in networks of neurons
皮层活动的Abeles模型假设在没有刺激的情况下,零级神经活动可以用泊松过程来描述。在这里,该模型被扩展到描述信息处理的synfire链在网络中的活动不相关的synfire链。从这个概念的传递函数的定量推导。
2006-09-20 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Control of the Correlation of Spontaneous Neuron Activity in Biological and Noise-activated CMOS Artificial Neural Microcircuits
有几个迹象表明,大脑不是基于单个不可靠的神经元组织的,而是基于微电路规模,提供用于创建复杂架构的乐高积木。在这样一个中间尺度上,微电路中的放电活动受集体效应的支配,集体效应是由引发自发放电的背景噪声、神经元之间相互连接的程度以及连接的拓扑结构所产生的。我们比较了粘附在工程支架上的小群体神经元的自发放电活动与生物学上合理的CMOS人工神经元群体的模拟,其自发活动由定制的背景噪声点燃。我们提供了一整套灵活和低功耗的硅块,包括神经元,兴奋性和抑制性突触,以及用于自发放电激活的白噪声和粉红噪声发生器。我们通过控制硅神经元之间的连接的种类和数量来实现生物神经元的放电活动的可比程度的相关性。神经元组之间的相关性,组织成一个由等效的中间神经元连接的四个不同群体的环,通过向连接添加多个突触比增加独立的点对点连接的数量更有效地触发。生物系统和人工系统之间的比较表明,相当数量的突触在粘附于工程支架的生物群体中也是活跃的。
2017-02-24 cs.NE q-bio.NC q-bio.QM
Multiscale modeling via split-step methods in neural firing
基于Hodgkin-Huxley方程的神经元模型构成了计算神经科学的基本框架。虽然神经元状态通常是确定性建模的,但实验记录显示随机波动,可能是由潜在微物理条件的分子噪声驱动的。反过来,单个神经元的放电会在细胞外空间产生电场,也被认为会影响附近神经元的放电模式。我们开发了一个多尺度模型,它结合了一个随机的离子通道门控过程发生在神经元膜上,连同沿神经元结构的动作电位的传播。我们还设计了一个数值方法,依靠分裂步骤的战略,有效地耦合这两个过程,我们实验测试这种方法的可行性。最后,我们还解释了如何可以扩展麦克斯韦方程组的方法,使潜在的细胞外空间传播。
2017-08-15 q-bio.NC
An Analytically Solvable Model of Firing Rate Heterogeneity in Balanced State Networks
针对皮层回路放电率分布缺乏数学可处理性的问题,基于 Gauss-Rice 神经元模型提出一种可精确计算放电率分布的平衡态皮层回路模型,支持多群体与多突触受体,为理解单神经元及突触特性对放电率分布的影响奠定基础。
2024-12-19 q-bio.NC
Phase-of-firing code
定义.激发相位编码是一种神经编码方案,神经元利用它们在网络活动的持续振荡模式的周期内激发尖峰的时间来编码信息。该编码方案可以允许神经元使用其尖峰的时间模式来编码未在其激发速率中编码的信息。
2015-04-15 q-bio.NC
Mind the Last Spike -- Firing Rate Models for Mesoscopic Populations of Spiking Neurons
用于理解皮层计算的主要建模框架是启发式放电率模型。尽管他们的成功,这些模型不足以捕捉尖峰同步效应,链接到生物物理参数和描述有限大小的波动。在这篇观点文章中,我们提出,耐火密度方法(RDM),也被称为年龄结构种群动力学或准更新理论,产生了一个强大的理论框架,建立基于速率的模型,从现实的神经元动力学在微观层面的介观神经元群体。我们回顾了RDM取得的最新进展,以获得有效的人口密度方程的网络广义积分和消防(GIF)神经元-一类神经元模型,已成功地适合于各种细胞类型。该理论不仅预测了大种群神经元的非平稳动力学,而且还允许扩展到有限大小的种群和系统地减少到低维速率动力学。新类型的速率模型将允许在生物约束下重新检查皮质计算模型。
2019-09-22 q-bio.NC
A hierarchical neural stimulation model for pain relief by variation of coil design parameters
神经刺激代表了用于神经障碍治疗的强大技术。本文论述了线圈设计参数的优化,用于在刺激神经元放电调制,以实现疼痛缓解。简要介绍了疼痛机制,提出了从线圈刺激到神经元放电的分层刺激模型。分析了圆形、8字形和8线圈磁共振耦合图形的电磁场分布随线圈间距、激励频率、线圈匝数和线圈半径等激励参数的变化规律。8个线圈的MRC图负责感应线圈中相同驱动电流量的最大电场。研究了锥体神经元模型在磁和声刺激下膜电位、离子通道电导和神经元放电频率的变化。与无疼痛状态相比,在疼痛状态下皮层神经元的神经元放电频率更高。最低的神经元放电频率18 Hz被发现的MRC图的8个线圈,相比之下,30 Hz的圆形线圈。因此,8个线圈的MRC图对于神经元放电的调制是最有效的,从而与本研究中考虑的其他线圈相比实现疼痛缓解
2016-09-13 q-bio.NC
Influence of firing mechanisms on gain modulation
我们研究了在背景突触输入存在的情况下,动态阈值对f-I曲线的影响,f-i曲线是输入和神经元放电率之间的关系。首先,我们发现,虽然漏积分和激发模型不能再现皮层神经元的f-I曲线,但动态阈值的漏积分和激发模型可以很好地再现它。第二,我们发现动力学阈值调制f-I曲线的起始和渐近行为。这些结果表明,皮层神经元有一个适应机制,动力学阈值对神经元的计算性能有一定的意义。
2008-10-12 q-bio.NC
The firing statistics of Poisson neuron models driven by slow stimuli
具有不同类型感受野的细胞的编码特性已经研究了几十年。ON型神经元响应于时间依赖性刺激的正波动而发射,而OFF细胞由负刺激片段驱动。反过来,双相细胞对上/下或下/上刺激的上击是有选择性的。在本文中,我们探讨了不同的感受野影响泊松神经元模型的放电统计的方式,当驱动与缓慢的刺激。我们发现的时间依赖性的刺激时间直方图和尖峰间期分布的传入信号的解析表达式。我们的研究结果使我们能够理解调节脉冲序列统计的内在和外在因素之间的相互作用。前者依赖于生物物理神经特性,而后者则依赖于输入信号的时间特性。
2009-09-08 q-bio.NC
Correlated connectivity and the distribution of firing rates in the neocortex
最近的两个实验观察对许多皮层模型提出了挑战。首先,听觉皮层的活动是稀疏的,放电率可以用对数正态分布来描述。其次,相邻皮层神经元之间的非零突触强度的分布也可以用对数正态分布来描述。在这里,我们使用一个简单的皮质活动模型来调和这些观察结果。该模型做出了实验上可检验的预测,即给定皮层神经元上的突触功效在统计上是相关的,即它预测一些神经元比其他神经元接收更多的强连接。我们提出了一个简单的Hebb样的学习规则,从而产生对数正态放电率和突触的功效。我们的研究结果代表了在皮层网络中协调稀疏活动和稀疏连接的第一步。
2008-09-09 q-bio.NC
Firing rate distributions in plastic networks of spiking neurons
该研究扩展平均场理论,可同时处理突触权重异质性与连接数异质性的脉冲神经元网络,引入脉冲迹介导的可塑性机制,通过模拟验证了方程准确性,为理解可塑性对神经网络活动与结构的塑造提供了方法。
2023-11-09 math.DS q-bio.NC
Modeling the differentiation of A- and C-type baroreceptor firing patterns
压力感受器神经元充当自主神经系统的血压的主要换能器,并且因此在使身体能够有效地响应血压变化方面是关键的。这些神经元可以分为两种类型(A和C)的基础上,其轴突的髓鞘和其独特的放电模式引起的反应,以特定的压力刺激。这项研究已经开发了一个全面的传入压力感受器放电模型建立在动脉壁力学的生理知识,放电率响应控制压力刺激,和离子通道动力学的压力感受器神经元内。有了这个模型,我们能够预测在先前发表的实验中观察到的A型和C型神经元的放电率。这些结果是通过调整确定最大离子通道电导的模型参数获得的。假设所观察到的模型参数的变化对应于A型和C型神经元之间的生理差异。与已发表的实验观察结果一致,我们的模拟表明,在C型神经元中,钾电导降低两倍是导致观察到的持续基础放电的原因,而在A型神经元中,机械敏感电导升高十倍是导致观察到的放电率升高的原因。更好地理解两种神经元类型之间的差异可以潜在地用于更深入地了解潜在的病理生理学,从而促进靶向干预措施的开发,从而改善患病个体的压力反射功能,例如,在自主神经功能衰竭患者中,自主神经功能衰竭是一种难以在其病理生理学方面诊断的综合征。
2016-09-07 q-bio.NC q-bio.QM
Firing statistics in the bistable regime of neurons with homoclinic spike generation
有规律放电的神经元的神经元电压动力学通常有一个稳定的吸引子:固定点(如在阈下状态)或限定动作电位的强直放电的极限环(在阈上状态)。然而,在已知引起全或无类型动作电位的三个尖峰起始分叉序列中的两个中,静息状态不动点和极限环尖峰可以共存于中间状态,从而导致双稳态动力学。这里,噪声可以引起吸引子之间的切换,即,之间的休息和尖峰,并因此增加了脉冲序列的变化相比,只有一个稳定的吸引神经元。由此产生的尖峰统计的定性特征取决于尖峰发作分叉。本研究的重点是通过鞍同宿轨道(HOM)分岔的尖峰极限环的创建,并推导出基于电导的神经元模型在双稳态制度的峰间期(ISI)密度。双稳态同宿神经元的ISI密度是单峰的,但不同于与鞍结不变环(SNIC)分叉相关的逆高斯分布。它表明,HOM分叉之间的过渡休息和尖峰主要是确定沿下行的动作电位-一个动态的功能,是不被常用的复位神经元模型捕获。推导出的尖峰统计量可以帮助识别实验数据中的HOM动力学。
2020-10-06 q-bio.NC
Using Firing-Rate Dynamics to Train Recurrent Networks of Spiking Model Neurons
递归神经网络是理解和建模计算和神经元群体表示的强大工具。连续变量或“速率”模型网络已被分析和广泛应用于这些目的。然而,神经元激发动作电位,并且尖峰的离散性质是神经回路动力学的重要特征。尽管取得了重大进展,但训练循环连接的尖峰神经网络仍然是一个挑战。我们提出了一个训练循环连接的尖峰网络自主生成动态模式,产生复杂的时间输出的基础上集成网络输入,并模拟生理数据的过程。我们的程序利用一个连续变量网络来识别训练尖峰模型神经元的输入的目标。令人惊讶的是,我们能够构建尖峰网络,重复连续变量网络执行的任务,而神经元的数量只有相对较小的扩展。我们的方法为“发射率”模型的重要性和适当使用提供了一种新颖的观点,并且它是构建模型尖峰网络的有用方法,可用于解决有关神经系统中表示和计算的重要问题。
2016-01-28 q-bio.NC
Firing statistics of inhibitory neuron with delayed feedback. I. Output ISI probability density
在点随机过程的框架下研究了具有时滞反馈的抑制神经元的活动。神经元接收来自泊松流的兴奋性输入脉冲,以及来自具有延迟的反馈线的抑制性脉冲。我们在这里调查,如何抑制反馈的存在影响输出放电统计。使用绑定神经元(BN)作为一个模型,我们推导出解析的精确表达式的输出峰间间期(ISI)的概率密度,平均输出ISI和变异系数作为模型的参数的函数的情况下阈值2。使用泄漏积分和火灾(LIF)模型,以及BN模型具有较高的阈值,这些统计量的数值。与以前研究的无反馈情况相比,BN和LIF神经元的ISI概率密度都变成双峰,具有跳跃型的不连续性。然而,抑制延迟反馈的存在下,没有发现影响实质上的输出ISI系数的变化。ISI的变异系数范围在0.5和1之间。结论是延迟抑制反馈的引入可以从根本上改变神经元输出放电统计。这一统计数据也与之前(Vidybida & Kravchuk,2009)通过具有延迟反馈的兴奋性神经元的类似方法发现的结果不同。
2013-09-09 math.PR q-bio.NC
On the statistical significance of temporal firing patterns in multi-neuronal spike trains
在许多涉及多个神经元同时记录的实验中,观察到一组神经元的连续放电序列重复发生,神经元之间具有固定的时间延迟。这样的时间模式潜在地指示底层微电路,并且重要的是知道何时重复出现的模式在统计上是显著的。这些序列通常通过相关计数来识别,例如在Abeles和Gerstein的两带算法中。在本文中,我们提出了一种方法来决定这种相关性的意义,通过表征一个神经元对另一个神经元的影响的条件概率,并指定我们的零假设的条件概率的约束。这种检验相关计数显著性的方法比目前可用的方法更普遍,因为在我们的零假设下,我们不假设不同神经元的尖峰过程是独立的。我们的零假设的结构还允许我们根据构成模式的神经元之间的相互作用的强度对检测到的模式进行排序。我们展示了我们的方法,评估模拟脉冲序列的重要性,涉及非齐次泊松过程与强相互作用,其中的相关计数使用两个磁带算法。
2008-09-01 q-bio.NC
The fine line between dead neurons and sparsity in binarized spiking neural networks
University of Michigan(密歇根大学);University of Western Australia(西澳大利亚大学)
脉冲神经网络可以通过在时域中对信息进行编码,或者通过处理更高精度的隐藏状态中的离散量来补偿量化误差。理论上,宽动态范围的状态空间使得多个二值化输入能够累积在一起,从而提高单个神经元的表示能力。这可以通过增加发射阈值来实现,但是使其太高并且稀疏尖峰活动变成无尖峰发射。在本文中,我们提出了使用“阈值退火”作为一种热身方法射击阈值。我们表明,它能够在神经元停止放电的多个层中传播尖峰,并且在这样做的过程中,尽管使用了二进制化的权重,但在四个不同的数据集上实现了高度竞争的结果。源代码可在https://github.com/jeshraghian/snn-tha/上获得
2022-01-28 cs.LG cs.NE q-bio.NC
Nanodiamond quantum sensors reveal temperature variation associated to hippocampal neurons firing
温度是调节细胞内过程的最相关参数之一。测量局部亚细胞温度梯度是深入了解细胞功能的基础,如动作电位的发生和细胞代谢。在这里,我们首次检测到与神经元放电的增强和耗尽相关的温度变化(1°C),利用基于纳米金刚石中光学检测的磁共振的纳米级温度计。我们的研究结果提供了一种工具,用于评估神经元尖峰活动在生理和病理条件下,并结合这种技术的高灵敏度(在角度敏感< 0.1°C的变化),铺平了道路的局部温度梯度的产生的系统研究。此外,它们促使进一步的研究详细解释产生这种效应的生理机制。
2022-03-31 q-bio.NC quant-ph
Inferring population statistics of receptor neurons sensitivities and firing-rates from general functional requirements
基于神经嗅觉系统评估气味刺激强度的明显能力,同时也在很大的浓度范围内识别气味剂的身份,对一些潜在的神经过程提出了一些生物学上现实的假设。特别是,它是假设的受体神经元的意思是发射率规模单调与气味强度,和受体的敏感性范围广泛的气味和受体神经元,从而导致高度分布的代表性的刺激。现象学假设的数学实现允许推断一些可测量的量之间的显式函数关系。它的结果是,无论是依赖于气味浓度的平均发射率和整个神经元群体的受体敏感性的统计分布是幂律,其各自的指数是在算术,可检验的关系。为了定量地检验群体平均燃烧速率对气味剂浓度的幂律依赖性的预测,建立了一个概率模型来从实验文献中的数据中提取信息。模型的自由参数的值估计的信息几何贝叶斯最大似然推断,它保持考虑到参数的先验分布。最终的拟合优度通过分布独立检验进行量化。[继续]
2020-05-02 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Theory of input spike auto- and cross-correlations and their effect on the response of spiking neurons
神经元之间的尖峰相关性在皮层中普遍存在,但它们的作用目前还不清楚。在这里,我们描述了一个泄漏的整合和消防神经元(LIF)时,它收到一个暂时相关的输入突触前相关的神经元群体产生的放电响应。输入相关性的特征在于放电率,Fano因子,相关系数和相关的时间尺度的神经元驱动的目标神经元。我们发现,突触前脉冲序列的总和不能很好地描述了泊松过程。在短相关时间尺度和长相关时间尺度的限制下,得到了输出点火率的解。
2007-10-11 physics.bio-ph q-bio.NC
Mean field theory for a balanced hypercolumn model of orientation selectivity in primary visual cortex
我们提出了一个完整的平均场理论的平衡状态的一个简单的模型的定向超柱。该理论的补充说明的数值求解平均场方程定量的过程。通过我们的处理,我们可以自洽地确定放电率和放电相关性,而不限于特定的神经元模型。在这里,我们解决了解析导出的平均场方程数值积分和消防神经元。几个已知的关键属性的方向选择性皮层神经元自然出现的描述:不规则发射与统计接近-但不限于-泊松统计;一个几乎线性的增益函数(发射频率作为刺激对比度的函数)的神经元内的网络;和对比度不变的调谐宽度的神经元放电。我们发现,放电的不规则性敏感地依赖于突触的强度。如果Fano因子大于1,那么它们对于所有引起放电的刺激方向都是如此。我们还发现,在输入电流的噪声的调谐是相同的外部输入的调谐,而平均输入电流取决于外部输入和皮层内的连接。
2004-03-25 q-bio.NC
Timing Control of Single Neuron Spikes with Optogenetic Stimulation
本文预测的能力,外部控制的皮层神经元,其行为遵循Izhikevich神经元模型的发射时间。Izhikevich神经元模型提供了一种有效的和生物学上合理的方法来跟踪皮层神经元的膜电位和其放电时间。外部控制是一个简单的光遗传学模型,由一个可以打开或关闭的恒流源表示。本文认为,发射频率是足够低的膜电位返回到其静息电位后,它的火灾。将神经元充电和神经元恢复到静息电位所需的时间拟合到Izhikevich神经元模型参数的函数。结果表明,线性函数的模型参数可以用来预测充电时间具有一定的精度,并足以估计可实现的最高发射频率没有interspike干扰。
2018-02-13 physics.bio-ph q-bio.NC
Shot Noise Neuron Model
在本文中,我们提出了一个基于散粒噪声的泄漏集成和发射神经元模型,并提供了一个详细的分析,这种模型的性能相比,传统的扩散近似模型。在理论神经科学中,有三种通用的神经元模型:房室神经元模型是一种基于电导的模型,它将生物神经元视为一个大电路。该模型的问题在于其结构的复杂性和自由参数的数量; Leaky集成和放电模型是一个更灵活的模型,由于特殊的设计称为阈值重置,其中神经元的电压达到阈值后被重置。该模型被提出作为房室模型的替代方案,以提供一个更符合生物学实际的模型,该模型可以捕获在实验中观察到的尖峰时间行为。除此之外,它的计算效率更高,因为它具有更少的自由参数;基于放电率的神经元模型使用神经元的放电率作为耦合神经元网络模型中的耦合项。这种模型可以很容易地在网络层面上进行分析。对该模型的理论分析证明了相变的存在,并表明在混沌区的计算能力得到了提高。
2018-07-04 q-bio.NC
Delayed feedback causes non-Markovian behavior of neuronal firing statistics
神经网络的瞬时状态由每个神经元的激励程度和神经元之间的通信线路中脉冲的位置组成。在神经生理学实验中,记录了神经元的放电时刻,但没有记录通信线路的状态。但是,未来的尖峰时刻基本上取决于脉冲在线路中的过去位置。这表明,网络中的放电时刻之间的间隔序列(峰间间隔,ISI)可能是非马尔可夫的。在本文中,我们解决这个问题的一个最简单的可能的神经“网”,即一个单一的神经元延迟反馈。神经元从驱动泊松流和通过反馈线从其自身输出接收兴奋性输入。我们得到条件概率密度$P(t_{n+1} | t_n,...,t_1,t_0)$的解析表达式,它给出了概率得到一个输出ISI的持续时间$t_{n+1}$提供以前的$(n+1)$输出ISI的持续时间$t_n,...,t_1,t_0$。精确地证明,对于任何$n \geq 0$,$P(t_{n+1} | t_n,...,t_1,t_0)$都不会简化为$P(t_{n+1} | t_n,...,t_1)$。这意味着输出ISIs流不能表示为任何有限阶的马尔可夫链。
2010-12-30 math.PR q-bio.NC
Auto and crosscorrelograms for the spike response of LIF neurons with slow synapses
在噪声存在下,简单但现实的神经元模型的响应特性的分析描述仍然缺乏。我们完全确定了一个单一的和一对泄漏的积分和消防神经元(LIF)接收一些常见的缓慢过滤的白噪声的发射统计的二阶。特别是,自相关和互相关函数的输出脉冲序列的细胞对的绝热近似\cite{Mor+04}中引入的改进。这两个函数定义了神经元之间的放电变异性和放电同步性,对于理解神经元之间的通信具有重要意义。
2007-10-11 physics.bio-ph q-bio.NC
Firing statistics of inhibitory neuron with delayed feedback. II. Non-Markovian behavior
神经网络的瞬时状态由组成网络的每个神经元的激励程度和神经元之间的通信线路中的脉冲位置两者组成。在神经生理学实验中,记录了神经元的放电时刻,但没有记录通信线路的状态。但是,未来的尖峰时刻基本上取决于脉冲在线路中的过去位置。这表明,网络中的放电时刻之间的间隔序列(脉冲间间隔,ISI)可能是非马尔可夫的。在本文中,我们针对最简单的神经“网络”(即具有延迟反馈的单个抑制神经元)来解决这个问题。神经元从驱动泊松流接收兴奋性输入,并通过反馈线从自身输出接收抑制性脉冲。我们得到了条件概率密度P(t_{n+1})的解析表达式|t_n,...,t_1,t_0),其给出了获得持续时间为t_{n+1}的输出ISI的概率,假设先前的(n+1)个输出ISI具有持续时间t_n,.,t_1,t_0。精确地证明了P(t_{n+1}| t_n,...,t_1,t_0)不归约为P(t_{n+1}| t_n,...,t_1),其中n>=0。这意味着输出ISIs流不能表示为任何有限阶的马尔可夫链。
2013-09-09 math.PR q-bio.NC
Modeling of Self-sustained Neuron Population without External Stimulus
Middle East Technical University(中东理工大学);Başkent University(巴肯特大学)
研究发现,具有突触可塑性和内在随机性的Hodgkin-Huxley神经元网络可在短暂刺激后维持自主活动,其特征为稀疏、不规则的放电模式。
2026-04-15 cs.NE q-bio.NC
The impact of cancer on the neural activity
我们研究了神经元数量减少对神经元放电率的影响。我们提出了一个元胞自动机模型,从脑组织中的癌细胞生长和神经元的死亡,由于缺乏细胞,帮助支持神经元。我们利用这个模型研究了神经网络在不同的外界刺激下以及癌细胞具有不同的增殖率时放电率的变化。我们的工作表明,癌症增殖降低了神经元的放电率。
2015-10-02 physics.bio-ph q-bio.NC
Mimicking Collective Firing Patterns of Hundreds of Connected Neurons using a Single-Neuron Experiment
神经网络的实验研究需要同时测量大量的神经元,同时监测连接性、突触强度和延迟的特性。目前的技术障碍使这一任务无法实现。此外,由于所需测量的数量巨大,估计的网络参数将不同于原始参数。在这里,我们提出了一个通用的实验技术,它使研究的经常性神经网络活动,同时能够支配网络的连接和突触强度。这种方法是基于这样的观察,即神经元的反应完全取决于它们最近的刺激,即短期记忆。它允许长期刺激和记录单个神经元的方案,以模仿递归网络中神经元的同时活动测量。利用这种技术表明自发出现的合作同步振荡,特别是快速伽玛和缓慢的德尔塔振荡的共存,并打开了大规模神经网络内的其他合作现象的实验研究的视野。
2016-01-10 cond-mat.stat-mech q-bio.NC
Nanodiamonds-induced effects on neuronal firing of mouse hippocampal microcircuits
荧光纳米金刚石(FND)是碳基纳米材料,可以有效地结合光学活性的光致发光中心,如氮空位复合物,从而使它们成为光学生物标记和药物递送剂的有前途的候选者。FND表现出明亮的荧光,没有光漂白,结合高摄取率和低细胞毒性。针对FNDs对神经元功能的干扰,本文研究了它们对培养的海马神经元的影响,监测整个网络的发育以及单个神经元的电生理特性。我们观察到,FND急剧降低抑制性(从1.81 Hz至0.86 Hz)和兴奋性(从1.61 Hz至0.68 Hz)的微小突触后电流的频率,并一致降低动作电位(AP)的放电频率(由36%),通过微电极阵列测量。相反,爆发同步被保留,以及自发抑制和兴奋事件的幅度。电流钳记录显示,与AP列车的高频率(快速尖峰)与神经元响应与列车的低频(慢尖峰)的神经元的比例是不变的,这表明FND施加了类似的行动神经元亚群。在单细胞水平,体细胞AP(“扭结”)的快速发作显着减少,在FND处理的神经元,这表明轴突和树突成分的贡献减少,同时保持神经元的兴奋性。
2018-03-02 physics.bio-ph q-bio.NC
Multi-Objective Optimisation of Cortical Spiking Neural Networks With Genetic Algorithms
脉冲神经网络(SNN)通过神经元的全或无脉冲活动进行通信。然而,将大量的SNN模型参数拟合到观察到的神经活动模式,例如在生物实验中,仍然是一个挑战。以前的工作,使用遗传算法(GA)优化一个特定的高效SNN模型,使用Izhikevich神经元模型,仅限于一个单一的参数和目标。这项工作应用了一种称为非支配排序GA(NSGA-III)的GA版本,以证明对同一SNN执行多目标优化的可行性,重点是搜索网络连接参数,以实现兴奋性和抑制性神经元类型的目标放电率,包括不同的网络连接稀疏性。我们表明,NSGA-III可以很容易地优化各种射击率。值得注意的是,当兴奋性神经元的放电率高于或等于抑制性神经元的放电率时,误差较小。此外,当连接稀疏性被认为是一个参数进行优化,最佳的解决方案需要稀疏的网络连接。我们还发现,兴奋性神经元的放电率低于抑制性神经元,误差一般较大。总的来说,我们已经成功地证明了对经常性和稀疏SNN的网络参数实施多目标GA优化的可行性。
2021-05-14 cs.NE q-bio.NC
Spike timing regularity in vestibular afferent neurons: How ionic currents influence sensory encoding mechanisms
初级前庭神经元被分类为分别使用速率和时间感觉编码策略的规则或不规则放电传入。虽然许多因素影响这些神经元的放电,但最近在哺乳动物前庭传入神经中的研究表明,驱动尖峰规律性的离子通道具有丰富的多样性。在这里,我回顾关键的离子电流在体外研究,并展示它们如何使感觉编码策略在体内演示。
2021-08-02 q-bio.NC
Modeling Interference-Free Neuron Spikes with Optogenetic Stimulation
本文预测的能力,外部控制的皮层神经元,其行为遵循Izhikevich神经元模型的发射时间。Izhikevich神经元模型提供了一种有效的和生物学上合理的方法来跟踪皮层神经元的膜电位和其放电时间。外部对照是由刺激饱和或衰减膜电流的照明源表示的简单光遗传学模型。本文认为,发射频率是足够低的膜电位返回到其静息电位后,它的火灾。神经元充电和神经元恢复到静息电位所需的时间在数值上拟合到Izhikevich神经元模型参数和峰值输入电流的函数。结果表明,简单的函数的模型参数和最大输入电流可以用来预测的充电和恢复时间,即使在实际参数值有偏差。此外,预测导致可以在没有显著失真的情况下实现的发射频率的下限。
2019-12-29 physics.bio-ph q-bio.NC
Spectra and waiting-time densities in firing resonant and nonresonant neurons
神经细胞对外部刺激的反应可以遵循以下两种模式之一:非共振神经元在兴奋后单调地松弛到静息状态,而共振神经元则表现出阈下振荡。我们研究这些阈下性质的神经元如何影响他们的阈上反应。反之亦然,我们会问:我们能用阈上脉冲序列区分这两种类型的神经元动力学吗?神经元的动力学由随机FitzHugh-Nagumo和Morris-Lecar模型给出,其中具有焦点或节点作为稳定不动点。我们确定数值的频谱功率密度以及响应于随机(类噪声)信号的峰间间隔密度。我们表明,从功率谱获得的动力学类型的信息是有限的有效性。与此相反,interspike间隔密度给出了一个非常敏感的工具,用于诊断的动态是否具有共振或非共振特性。对于后一个值,我们制定了一个拟合公式,并使用它来重建理论上的频谱功率密度,这与数值获得的频谱相一致。我们强调,更新理论是适用于分析的阈上反应,甚至共振神经元。
2005-06-30 q-bio.NC
Rhythmogenic neuronal networks, pacemakers, and k-cores
神经元网络由单个神经元的动力学和将它们连接在一起的网络的连接性的组合控制。我们研究的preBotzinger复杂,一个小的神经网络,控制哺乳动物的呼吸节律,通过定期发射突发的最小模型。我们表明,这样一个随机连接的网络相同的兴奋性神经元的属性是从根本上不同的均匀连接的神经元网络所描述的平均场理论。我们表明:(i)网络的连接性属性决定了触发放电爆发的紧急起搏器的位置;(ii)终止放电爆发的集体脱敏再次由网络连接性通过k核神经元集群决定。
2008-12-06 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.NC
Self-sustained activity, bursts, and variability in recurrent networks
目前的文献一致认为,异步不规则尖峰活动的稳定状态需要(i)10 000个或更多神经元的大型网络和(ii)外部背景活动或起搏神经元。然而早在1963年,格里菲斯就证明了简单阈值元素的网络可以以中等速率持续活跃。在这里,我们扩展了格里菲斯的工作,并证明了稀疏网络的集成和消防神经元假设稳定状态的自我维持的异步和不规则的发射没有外部输入或起搏器神经元。这些状态可以通过对一小部分神经元的短暂脉冲或短时间的不规则输入来鲁棒地诱导,并持续几分钟。自我维持的活动状态出现时,一小部分的突触是强大到足以显着影响神经元的放电概率,与最近提出的长尾分布的突触权重。在自我维持的活动中,每个神经元都表现出高度不规则的放电模式,类似于实验观察到的活动。此外,峰间期分布揭示了神经元在高放电率和低放电率的离散状态之间切换。我们发现,即使在只有1000个神经元的小网络中,自我维持的活动状态也可以存在。我们研究了多达10万个神经元的网络。最后,我们讨论了自我维持活动的学习,记忆和信号传播的影响。
2013-11-06 q-bio.NC