[论文解读] Effects of the spike timing-dependent plasticity on the synchronisation in a random Hodgkin-Huxley neuronal network
本研究探讨了霍奇金-赫克斯利神经元随机网络中的突触可塑性（STDP）对同步化的影响，结果表明STDP可增强网络同步性，其效果取决于连接概率与突触的单向性。关键发现显示，在临界连接概率（p_c ≈ 0.37 + 0.06γ）处出现从非同步到同步的不连续相变，该相变由高频神经元向低频神经元的单向连接驱动，且STDP可在外部扰动下抑制去同步化。
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.
研究动机与目标
- 研究突触可塑性（STDP）如何影响随机霍奇金-赫克斯利神经元网络中的同步性。
- 分析连接概率与外部扰动在调节同步动力学中的作用。
- 确定突触方向性（特别是从高频到低频神经元）对同步相变的影响。
- 确定从非同步到同步状态发生不连续相变的临界连接概率。
提出的方法
- 使用霍奇金-赫克斯利方程对单个神经元进行建模，包含钠、钾和漏电流的电压依赖性离子通道。
- 采用符合STDP规则的单向兴奋性化学突触，当突触前动作电位先于突触后动作电位时，突触效能增强。
- 构建连接概率为p的随机神经元网络，其中神经元之间的连接以随机方式分配。
- 施加外部扰动以研究其对同步性的影响，特别是与STDP的联合效应。
- 利用时间平均耦合强度和峰电位间隔方差来量化同步水平。
- 通过数值模拟与统计分析，分析临界连接概率p_c随输入电流γ的变化关系。
实验结果
研究问题
- RQ1突触可塑性（STDP）如何影响随机霍奇金-赫克斯利神经元网络中的同步性？
- RQ2连接概率p在决定同步起始中的作用是什么？是否诱导不连续相变？
- RQ3突触连接的方向性（特别是从高频到低频神经元）如何影响同步的出现？
- RQ4STDP能否抵消外部扰动引起的网络去同步化？
- RQ5临界连接概率p_c与输入电流水平γ之间存在何种功能关系？
主要发现
- 在临界连接概率p_c ≈ 0.37 + 0.06γ处发生从非同步到同步状态的不连续相变，其中γ为输入电流水平。
- 时间平均耦合强度随高频到低频神经元连接比例的增加而上升，表明当此类单向连接占主导时，同步性增强。
- STDP可使受扰动网络实现同步恢复，表明其在外部干扰下维持同步性的积极作用。
- 随着连接概率的增加，峰电位间隔方差减小，表明放电更加规律且同步。
- 临界连接概率p_c随输入电流水平γ线性增加，符合方程p_c = 0.06γ + 0.37。
- 高频到低频神经元的定向突触对实现同步的突然跃迁至关重要，该结论通过示意图网络模拟得到验证。
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