[논문 리뷰] Effects of the spike timing-dependent plasticity on the synchronisation in a random Hodgkin-Huxley neuronal network

Rafael R. Borges, Fernando S. Borges외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 07.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 30인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 허드킨-후크리-헬름 신경망에서 자극 시점 의존성 강화(STDP)를 조사하며, 연결 확률과 시냅스 방향성에 따라 STDP가 동기화를 향상시킴을 보여준다. 주요 결과로는 임계 연결 확률(p_c ≈ 0.37 + 0.06γ)에서 비연속적인 동기화 전이가 발생하며, 이는 고주파수에서 저주파수 신경세포로의 유도 연결에 의해 유도되며, 외부 교란 상황에서 STDP가 탈동기화를 억제함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임의의 허드킨-후크리-헬름 신경세포 네트워크에서 자극 시점 의존성 강화(STDP)가 동기화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 연결 확률과 외부 교란이 동기화 동역학을 조절하는 데서 수행하는 역할을 분석하는 것.
• 특히 고주파수에서 저주파수 신경세포로의 시냅스 방향성이 동기화 전이에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 비정상 상태에서 동기화 상태로의 전이가 발생하는 임계 연결 확률를 결정하는 것.

제안 방법

• Na+, K+, 그리고 누출 전류를 위한 전압 의존성 이온 채널을 포함한 허드킨-후크리-헬름 방정식을 사용하여 개별 신경세포를 모델링한다.
• 전조 신경전달물질가 후조 신경전달물질보다 앞서 발생할 경우 시냅스를 강화하는 STDP 규칙을 적용한 단방향 흥분성 시냅스를 구현한다.
• 연결 확률 p를 가진 무작위 신경망을 구성하며, 뉴런 간에 확률적으로 연결을 할당한다.
• 외부 교란을 적용하여 그 영향이 동기화에 미치는 영향을 연구하며, 특히 STDP와의 조합 효과를 분석한다.
• 동기화 수준을 측정하기 위해 시간 평균 연결 강도와 간격 간 평균 제곱편차를 사용한다.
• 수치 시뮬레이션과 통계 분석을 통해 입력 전류 γ에 대한 임계 연결 확률 p_c를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자극 시점 의존성 강화(STDP)는 무작위 허드킨-후크리-헬름 신경세포 네트워크에서 동기화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 연결 확률 p는 동기화 발생 시점에 어떤 역할을 하는가? 비연속적인 전이를 유도하는가?
• RQ3 특히 고주파수에서 저주파수 신경세포로의 시냅스 방향성이 동기화의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 STDP는 외부 교란에 의해 유도된 탈동기화를 억제할 수 있는가?
• RQ5 임계 연결 확률 p_c와 입력 전류 수준 γ 사이의 기능적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 비정상 상태에서 동기화 상태로의 비연속적 전이가 임계 연결 확률 p_c ≈ 0.37 + 0.06γ에서 발생하며, 여기서 γ는 입력 전류 수준이다.
• 고주파수에서 저주파수 신경세포로의 연결 비율이 높을수록 시간 평균 연결 강도가 증가하여, 이러한 유도 연결이 우세할 경우 동기화가 향상됨을 나타낸다.
• STDP는 교란된 네트워크에서 동기화 복구를 가능하게 하여, 외부 요란에도 불구하고 동기화 유지에 기여하는 긍정적 역할을 한다.
• 연결 확률이 증가할수록 간격 간 평균 제곱편차가 감소하여 더 규칙적이고 동기화된 작동을 나타낸다.
• 임계 연결 확률 p_c는 입력 전류 수준 γ와 선형적으로 증가하며, 식 p_c = 0.06γ + 0.37에 따라 변화한다.
• 고주파수에서 저주파수 신경세포로의 유도 시냅스는 비연속적 동기화 전이에 필수적이며, 개략적 네트워크 시뮬레이션을 통해 확인되었다.