论文研究-STDP突触的双输入信号动力学模型研究.pdf

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为了准确地建模突触前刺激引起的谷氨酸信号和突触后刺激引起的峰电位信号,并将这两个信号用于STDP突触模型的验证,提出一种谷氨酸信号和后向传播树突信号的离子通道动力学模型。模型的仿真结果不仅得到了实际生理学机理下的谷氨酸信号和树突信号,而且对STDP突触模型的验证还得到了STDP突触的时间非对称函数波形。仿真结果表明,所设计的双输入信号动力学模型符合实际的STDP神经突触生理学原理,模型产生的信号可用于对STDP突触模型的验证。
第4期 校凌鹏,等:STDP突触的双输入信号动力学模型研究 ·1313 数进行衰减的指数信号形式,建模产生的峰电位不仅没有使用致,反映了STDP突触权值变化的时间非对称性。这些结果都 正确的峰电位波形,而且也没有考虑到峰电位的后冋传播,这是对文献[6,η]所宀生的模型、结果的改进。以上结果说明了 与实际的生理学情形不相符 所设计的谷氨酸信号与树突信号的动力学模型符合实际的 STDP神经突触的生理学情形。 突飽前膝各氧酸信号 泄3 0 0.6 版04刺激开始处 02030-40506070 峰电位时间/s :Keak=1.16μm 20-1001020304050 后向传福的将0 树突信号 峰电位时间/ +3. 录你 0.0 窗 图4突触前、后膜谷氨酸信号 0.05 4LTP窗 巾于文献[冂]屮没有考虑到峰电位的后向传播,所以建模 2.91020302 产生的峰电位仅为两个不同衰减系数的指数信号的简单线性 睑电位间/s 30-20-100102030 突触前、斤制激的相关时间/m 澄加,《略了轴突模坎与树突模块之间的相互连接,割裂丁两图5轴突峰电位转变为树突信号图6SP突能模形测试结果 个模块之间的动态反馈。针对文献[7]存在的问题,建模树突 信号的模型中,不仅要采用如图3所示的轴突一树突连接模5结束语 型,模型中的两个子模块之间通过内部电流I进行反馈连 接,而且模型的参数gNM、APA、1dmn、g1n要进行合理配置。 本文提出一种谷氨酸信号和后向传播树宸信号的离子通 实际仿貞的参数配置如下:NwmA=0.003μs, o=0.0002 道动力学模型,通过该模型的输出信号对sDP突触模型进行 测试。双输入信号动力学模型的仿真结果和对STDP突触模 队s, gLd=0.0003队s,gir=0.7s 型的测试结果都证明了所设计的双输人信号动力学模型的正 突触后膜神经元接受刺激后,在突钽后膜神经元轴突处产 生峰电位。轴突峰电位運过后向传播至树突形成树突信号 确性。对STD神经突無的深入研究,将为揭示脑神经网络的 复杂信号处理机制提供重要的硏究途径,具有很好的前沿科技 轴突模块与树突模块之间通过内部电流I进行连接,产生于 研究价值。 轴突的峰电位和后向传播树突信号如图5所示 文献[7]中建模的峰电位仅仅描述为两个不同衰减系数参考文献 的指数信号的简单线性叠加,如图5(a)所示。从图5(a)中的[1] NDIVFRI G,C(CAF,DOu(AsR. A VISI anay of low-power spi king neurons and bistable synapses with spike-timing dependent plasticity 信号显然可以看出是以37ms为零坐标中轴,左右各分布个 LJ IEEE Trans on Neural Network, 2006, 17(1): 211-221 衰减的指数信号,这与实际的生理学情形不相符。 [2 YU T, CAUWENBERGHS G. Analog VlSI biophysical neuron 提出的改进方法建模产生的树突信号如图5(b)所示。对 synapses with programmable membrane channel kineties. J]. IEEE 比图5(a)(b)可以看出,(b)的信号在37-42ms间是有一定 Trans on Biomedical Circuits and Systems, 2010, 4(3): 139-1 宽度的斜坡系数衰减,符合实际的HH神经元产生的输出信 [31 DAN Yang, POO MM Spike timing-dependent plasticity of neural cir- uits[J]. Neuron,2004,44(1):23-30 号;而(a)的信号在37-39ms间基本是类似于方波信号下降[4]LECC, POON C S, McRAE G J Kinetic modeling of amyloid fibrilla 沿迅速下降,明显不符合实际生理学中HH神经元产生的输 tion and synaptic plasticity as memory luss and formation mechanisms 出信号。 [D]. Massachusetts Massachusetts Institute of Technology, 2008 综上所述,所提出的改进方法建模产的树突信号不仅考「51 KUBOTA S, KITAJIMA T. How balance between LTP and LTD can be controlled in spike-timing-dependent learning rule[ C]//Proc of Inter- 虑到突触后膜神经元产生的轴突峰电位信号,而且树突信号的 national Joint Conference on Neural Networks. Piscataway, NJ: IEEE 建模还考虑了轴突峰电位的后问传播过程。该树突信号与实 Press,2009:1674-1679 际的生理学峰电位信号相符,如图5(b)所小。 [6 SHOUVAL H Z BEAR M F. COOPER L N. A unified model of NM 4.3STDP突触系统模型的输出 DA receptor dependent bidirectional synaptic plasticity J.Procee dings of the National Academy of Sciences of the United States 将谷氮酸信号与树突信号输入STDP突触系统模型,测试 of america,2002.99(16):10831-10836. STDP突触模型的突触权值变化情况(W),进而分析所设计的7」 KARMARKAR UR, BUONOMANO D V A model of spike timing de- 双输人信号动丿学模型的正确与否。本文采用的测试方案为 pendent plasticity: one or two coincidence detectors?[J]. Journal of Neurophysiology, 2002, 88(1): 507-513 固定树突信号起始位置,改变谷氨酸输入信号的起始位置,测[8]sA6AHAM, MERICLI T, ANDONI S,a 试突舦系统模型的最终输出W。这种测试方案用于模拟突触 the Hodgkin-Huxley model using artificial neural networks C|//Proc 前、后峰电位的出现时间先后顺序。 of International Joint Conference on Neural Networks [SI.: IEEE 上述测试方案所得的突触权值变化曲线如图6所示。由 Pres,2007:2239-2244 图中可以看出:a)突触权值变化曲线基本与理论上的STDP函 [9 MAK T S T, RACHMUTH G, KAI-PUI L, et al. A component-base FPGA design framework for neuronal lon channel dynamics simula 数变化曲线(图1)一致;b)SDP突触权值变化由线在LIP窗 tions[ J]. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2006 (0-30ms)的大小和衰减程度都与LTD窗(-30~0ms)不 14(4):410-418

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