兴奋性与抑制性STDP突触可塑性对大脑皮层网络的共同调节作用

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新型信息技术的发展使认知相关的脑皮层网络工作机理愈发受到重视,但脑皮层神经网络的信息处理机制还没有完全被理解,因此采用数学方法对大脑皮层神经网络进行建模仿真和参数分析研究非常有意义。基于脉冲神经元的皮层神经网络模型能够很好的模拟真实神经网络的放电特性及突触调节过程,有助于解释生物脑神经系统的信息调控机制。脉冲时间依赖突触可塑性STDP机制在学习、记忆重现和神经信息处理方面有重要意义,兴奋性STDP突触可塑性在信号输入通道的选择和突触权值分布的调节上发挥着重要作用,抑制性STDP突触可塑性在神经信息的处理和神经回路的加工上发挥着重要作用,本文研究了兴奋性与抑制性STDP突触可塑性对大脑皮层网络的共同调节作用,主要工作如下:(1)基于大脑皮层中的典型局部回路模型,研究了兴奋性和抑制性STDP突触可塑性的共同调节作用下,网络的放电特性、同步特性及突触强度的学习过程,发现网络中四种突触连接的平均强度维持稳定,从而保证了皮层网络自身的平稳放电及神经元集群的同步性。并发现抑制性突触可塑性的学习率的增大,使皮层神经网络中神经元的同步性增强,放电率增加,也增强了网络中抑制性突触的整体强度,同时兴奋性突触的整体强度减弱,体现了皮层网络中的兴奋性和抑制性的调节。(2)对于三种不同学习窗口的抑制性STDP突触可塑性机制,研究了兴奋性和抑制性STDP突触可塑性的共同调节作用下,神经元之间连接概率的变化对皮层网络中神经元集群的放电特性的影响,计算了不同抑制性STDP突触机制下,神经元集群的平均放电率、同步指数、突触电流、突触效能等特征,通过对比发现,当神经元间连接概率较大时,Hebbian类型与Symmetric类型的抑制性STDP突触机制下,神经元集群的放电受到很大程度抑制,而anti-Hebbian类型学习窗口的抑制性STDP突触可塑性能够与Hebbian类型学习窗口的兴奋性STDP突触可塑性共同作用,通过对不同类型突触连接强度的进行调节,维持神经元集群的正常放电。(3)对于三种不同学习窗口的抑制性STDP突触可塑性机制,研究了兴奋性和抑制性STDP突触可塑性的共同调节作用下,抑制性STDP突触可塑性机制的抑制性学习率的变化对皮层网络中神经元集群的放电特性的影响,通过对比发现,Hebbian类型与anti-Hebbian类型的抑制性STDP突触机制下,当抑制性学习率取值较大时,神经元的放电率和放电同步性都增强,而Symmetric类型的抑制性STDP突触机制下,神经元的放电特性受抑制性学习率的变化的影响不大。
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