[論文レビュー] Effects of the spike timing-dependent plasticity on the synchronisation in a random Hodgkin-Huxley neuronal network

Rafael R. Borges, Fernando S. Borges+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2015

Neural dynamics and brain function参考文献 30被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、ホッキンス・フックスレー神経細胞のランダムネットワークにおけるスパイク時間依存可塑性（STDP）を調査し、接続確率とシナプスの方向性に応じて同期性が向上することを示している。主な結果として、臨界接続確率（p_c ≈ 0.37 + 0.06γ）における不連続な同期状態への遷移が、高周波から低周波神経細胞への方向性シナプスによって駆動されていることが判明した。STDPは外部の摂動による非同期化を是正する働きを示した。

ABSTRACT

In this paper, we study the effects of spike timing-dependent plasticity on synchronisation in a network of Hodgkin-Huxley neurons. Neuron plasticity is a flexible property of a neuron and its network to change temporarily or permanently their biochemical, physiological, and morphological characteristics, in order to adapt to the environment. Regarding the plasticity, we consider Hebbian rules, specifically for spike timing-dependent plasticity (STDP), and with regard to network, we consider that the connections are randomly distributed. We analyse the synchronisation and desynchronisation according to an input level and probability of connections. Moreover, we verify that the transition for synchronisation depends on the neuronal network architecture, and the external perturbation level.

研究の動機と目的

• スパイク時間依存可塑性（STDP）がランダムなホッキンス・フックスレー神経細胞ネットワークにおける同期性に与える影響を調査すること。
• 接続確率と外部摂動が同期ダイナミクスをどのように制御するかを分析すること。
• 特に高周波から低周波神経細胞へのシナプスの方向性が同期遷移に与える影響を特定すること。
• 非同期状態から同期状態への不連続遷移が発生する臨界接続確率を同定すること。

提案手法

• ナトリウム（Na+）、カリウム（K+）および漏れ電流の電圧依存性イオンチャネルを有するホッキンス・フックスレー方程式を用いて個々の神経細胞をモデル化した。
• 事前に発火するシナプスがその後の発火を強化するSTDPルールに従い、単方向の興奮性化学シナプスを実装した。
• 接続確率pを用いたランダム神経ネットワークを構築し、神経細胞間で確率的に接続を割り当てた。
• 同期性への影響を評価するために、外部摂動を適用した。
• 同期度を時間平均された結合強度と、発火間隔の分散を用いて定量的に評価した。
• 数値シミュレーションと統計解析を用いて、入力電流γの関数としての臨界接続確率p_cを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパイク時間依存可塑性（STDP）は、ランダムなホッキンス・フックスレー神経細胞ネットワークにおける同期性にどのように影響するか？
• RQ2 接続確率pは同期の発生にどのように寄与するか？また、不連続な遷移を引き起こすか？
• RQ3 特に高周波から低周波神経細胞へのシナプスの方向性は、同期の出現にどのように影響するか？
• RQ4 STDPは外部摂動によって誘発される非同期化を是正できるか？
• RQ5 臨界接続確率p_cと入力電流レベルγとの間の機能的関係は何か？

主な発見

• 非同期状態から同期状態への不連続な遷移が、臨界接続確率p_c ≈ 0.37 + 0.06γ（γは入力電流レベル）で発生した。
• 高周波から低周波神経細胞への接続の割合が増加するにつれて、時間平均された結合強度が上昇し、こうした方向性接続が支配的になると同期性が強化されることが示された。
• 摂動を受けるネットワークにおいてもSTDPが同期回復を可能にし、外部の干渉に対しても同期性を維持する上で建設的な役割を果たすことが明らかになった。
• 接続確率が上昇するにつれて発火間隔の分散が減少し、より規則的かつ同期的な発火が生じることが示された。
• 臨界接続確率p_cは入力電流レベルγに対して線形に増加し、式 p_c = 0.06γ + 0.37 に従った。
• 高周波から低周波神経細胞への方向性シナプスは、同期への急激な遷移に不可欠であることが、模式的ネットワークシミュレーションにより確認された。