[論文レビュー] Phase response curve measurements based on perturbations or noise stimuli for conductance-based neuron models.

Janina Hesse, Susanne Schreiber|arXiv (Cornell University)|May 10, 2019

Neural dynamics and brain function参考文献 52被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、特に高い内在的ニューロンノイズ下において、位相応答曲線（PRC）測定における不適切なスティムラス振幅が、PRCを認識できなくなるほど歪ませ、結果として測定プロトコルを反映するが真のニューロンダイナミクスを反映しないことを示している。導電率に基づくニューロンモデルを用いて、唯一弱い、ノイズに強いスティムラスがスパイク発火の分岐を正確に捉えたPRCをもたらすことを示し、摂動およびノイズ刺激法における有効なスティムラス強度を特定する基準を提示している。

ABSTRACT

The program simulates conductance-based neuron models with three different spike-onset bifurcations. The repetitively spiking neurons are stimulated with a series of short current pulses or a known noise stimulus provided as data. The resulting spike jitter allows to estimate the phase-response curve of the model, based on methods described in Galan et al. (2005), Ota et al. (2009) and Torben-Nielsen et al. (2010). The estimation of the phase-response curve is tested for different stimulus amplitudes and different levels of intrinsic noise. See Hesse and Schreiber (2019) and readme.txt for details.

研究の動機と目的

• 内在的ノイズが存在する中でPRC測定が真のニューロンダイナミクスを正確に反映する条件を特定すること。
• 特にスパイク発火の開始付近において、実験的PRC推定値と理論的モデルとの間の乖離を解消すること。
• 過剰刺激またはノイズ干渉によるPRCの歪みを避けるためのスティムラス強度の選定基準を確立すること。
• 高い内在的ノイズレベル下での摂動法とノイズ刺激法の信頼性を比較すること。

提案手法

• 3つのスパイク発火分岐（亜臨界定常ホップファーバル、SNIC、サドル・ホモクリニック軌道（HOM））を有する導電率ベースのニューロンモデルを用いる。
• 極限循環子上での随伴方程式の逆方向積分を用いて理論的PRCを計算し、'真の'PRCを取得する。
• 3つの実験的PRC推定法を適用：個別時刻摂動、連続的ノイズ刺激、重み付きスパイクトレーパー平均（wSTA）。
• スパイク時刻予測誤差を最小化するSTEP法を導入し、PRCを推定する。
• ブートストラップ法を用いて、さまざまなノイズレベルおよびスティムラス振幅下でのPRC推定の不確実性を定量化する。
• 異なるスティムラス強度およびノイズレベル下で測定されたPRCを理論的PRCと比較し、歪みを検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スティムラス振幅と内在的ノイズが、導電率ベースのニューロンモデルにおけるPRC測定の正確さにどのように作用するか？
• RQ2 標準的なPRC測定プロトコルが、基礎的なスパイク発火分岐を反映するのではなく、プロトコル自体を反映する程度はどの程度か？
• RQ3 内在的ノイズが高く、スパイクジッターが顕著な状況下でも、ノイズ刺激法が真のPRCを信頼性高く回復できるか？
• RQ4 ノイズのあるニューロン系において、有効なPRC推定を可能にするスティムラス振幅の範囲は何か？
• RQ5 摂動法とノイズベース法は、内在的ノイズおよびスティムラス強度に対して、どのように信頼性が異なるか？

主な発見

• スティムラスが強すぎる場合、PRCは歪み、基礎的なスパイク発火分岐とは無関係な一般的な形状を取り、測定プロトコルそのものを反映するようになる。
• 高い内在的ノイズを持つニューロンでは、有効なスティムラス振幅の範囲が著しく狭くなり、正確なPRC推定が困難になる。
• 摂動法では、過剰刺激が原因でPRCがスティムラス時刻にずれて表示され、応答に特徴的な'バンプ'が生じる。
• ノイズ刺激法では、時間的に引き伸ばされたノイズスニペットのため、スパイク前の上昇成分が生じ、真のPRCが歪められる。
• 摂動法とノイズベース法は、高いノイズ下では同程度の性能を示すが、これはスティムラス振幅が狭い最適範囲内にある場合に限る。
• 理論的PRCは、線形応答仮説を保つのに十分に弱く、かつ内在的ノイズを打ち消せるだけの強さのスティムラス振幅である場合にのみ、信頼性高く回復される。