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推进大脑研究的模拟神经技术:在神经元中并行化大型网络。 (英语) Zbl 1414.92032号

摘要:在当前的一项重大研究倡议(如通过推进创新神经技术进行大脑研究)的支持下,随着更多关于大脑接线和组织的大数据的收集,大型多尺度神经元网络模拟的价值越来越大。这些模型的开发需要新的仿真技术。我们在这里描述了带有消息传递接口(MPI)的NEURON模拟器在通用高性能计算机(HPC)上的中等规模网络领域中的当前使用。我们讨论了此类仿真的基本布局,包括仿真设置方法、运行时峰值传递范式以及仿真后数据存储和数据管理方法。使用神经科学网关(Neuroscience Gateway),这是一个提供访问大型HPC的计算神经科学门户,我们对不同大小(500–100000个细胞)的神经元网络的模拟进行基准测试,并使用不同数量的节点(1–256)。我们比较了三种类型的这些网络由Izhikevich整合和纤芯神经元(I&F)、单室Hodgkin-Huxley细胞(HH)或各占一半的混合网络组成。结果表明,仿真运行时间随网络规模近似线性增加,随节点数量近似线性减少。带有I&F神经元的网络比HH网络更快,尽管差异很小,因为所有测试的细胞都是具有单个隔室的点神经元。

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92秒20 生物研究、人工生命和相关主题中的神经网络
92-08 生物学问题的计算方法
68T05型 人工智能中的学习和自适应系统
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Bezaire,M.和Soltesz,I.(2013年)。CA1局部电路的定量评估:神经元间锥体细胞连接的知识库。希波坎普斯,23751-785,
[2] Brette,R.、Rudolph,M.、Carnevale,T.、Hines,M.和Beeman,D.、Bower,J.…Destexhe,A.(2007)。尖峰神经元网络的模拟:工具和策略综述。J.计算。神经科学。,23, 349-398. ,
[3] Carnevale,N.和Hines,M.(2006年)。《神经元》一书。剑桥:剑桥大学出版社,
[4] Cornelis,H.、Rodriguez,A.、Coop,A.和Bower,J.(2012)。Python作为GENESIS 3.0的联合工具。公共图书馆一号,7,e29018,
[5] Davison,A.、Brüderle,D.、Eppler,J.、Kremkow,J.,Muller,E.、Pecevski,D.…Yger,P.(2008)。PyNN:神经元网络模拟器的通用接口。神经信息学前沿,
[6] Davison,A.、Hines,M.和Muller,E.(2009年)。神经科学模拟编程语言的发展趋势。前面。神经科学。,3, 374-380. ,
[7] Djurfeldt,M.、Davison,A.和Eppler,J.(2014)。从模拟器依赖描述中高效生成神经元网络中的连通性。神经信息学前沿,8,43,
[8] Djurfeldt,M.,Hjorth,J.,Eppler,J.,Dudani,N.,Helias,M.,Potjans,T.,…Ekeberg,O.(2010)。基于MUSIC框架的神经元网络模拟器之间的运行时互操作性。神经信息学,8,43-60,
[9] Eppler,J.、Helias,M.、Muller,E.、Diesmann,M.和Gewaltig,M.(2009年)。Pynest:一个方便的嵌套模拟器接口。神经信息学前沿,2,12。
[10] Gardner,D.,Toga,A.W.,Ascoli,G.A.,Beatty,J.T.,Brinkley,J.F.,Dale,A.M.,…Wong,S.T.C.(2003)。走向有效和有回报的数据共享。神经信息学,1(3),289-295,
[11] Gewaltig,M.-O.和Diesmann,M.(2007)。NEST(神经模拟工具)。学者传媒,2(4),1430,
[12] Goodman,D.和Brette,R.(2009年)。布莱恩模拟器。神经科学前沿,3(2),192,
[13] Helias,M.、Kunkel,S.、Masumoto,G.、Igarashi,J.、Eppler,J.,Ishii,S.…Diesmann,M.(2012)。准备用作神经科学发现机器的超级计算机。神经信息学前沿,6,26,
[14] Hines,M.和Carnevale,N.(2001年)。神经元:神经科学家的工具。神经学家,7123-135,
[15] Hines,M.和Carnevale,N.(2004年)。NEURON环境中的离散事件模拟。神经计算,58,1117-1122,
[16] Hines,M.和Carnevale,N.(2008年)。将网络模型转换为神经元中的并行硬件。《神经科学杂志》。方法,169,425-455,
[17] Hines,M.、Davison,A.和Muller,E.(2009年A)。NEURON和Python。神经信息学前沿,3,1,
[18] Hines,M.L.、Davison,A.P.和Muller,E.(2009b)。NEURON和Python。神经信息学前沿,3,1。
[19] Hines,M.、Eichner,H.和Schürmann,F.(2008)。在结合计算的并行网络模拟中,神经元分裂可以使用两倍多的处理器实现运行时扩展。J.计算。神经科学。,25, 203-210. , ·Zbl 07055144号
[20] Hines,M.、Kumar,S.和Schürmann,F.(2011年)。Blue Gene/P超级计算机上神经元尖峰交换方法的比较。前面。计算。神经科学。,5, 49. ,
[21] Hines,M.、Morse,T.和Carnevale,N.(2007年)。NEURON中的模型结构分析:面向神经模拟器之间的互操作性。方法分子生物学。,401, 91-102. ,
[22] 霍奇金·A.L.和赫胥黎·A.F.(1952)。膜电流的定量描述及其在神经传导和兴奋中的应用。《生理学杂志》。,117(4), 500-544. ,
[23] 伊日凯维奇,E.M.(2007年)。神经科学中的动力系统。马萨诸塞州剑桥:麻省理工学院出版社。
[24] Linton,M.A.、Vissides,J.M.和Calder,P.R.(1989年)。通过访谈撰写用户界面。计算机,22,8-22,
[25] Lytton,W.(2006)。神经查询系统:在NEURON模拟器中进行数据挖掘。神经信息学,4163-176,
[26] Lytton,W.、Contreras,D.、Destexhe,A.和Steriade,M.(1997)。在棘波发作的计算机网络模型中,动态相互作用决定了丘脑的部分静止。神经生理学杂志。,77, 1679-1696.
[27] Lytton,W.和Hines,M.(2004)。混合神经网络:结合抽象和现实的神经单元。IEEE医学与生物工程学会学报,63996-3998。
[28] Lytton,W.和Hines,M.(2005)。用于网络模拟的单个神经元的独立可变时间步长集成。神经计算。,17, 903-921. ,
[29] Lytton,W.、Neymotin,S.和Hines,M.(2008)。虚拟切片设置。《神经科学杂志》。方法,171,309-315,
[30] Lytton,W.和Stewart,M.(2007)。通过模拟进行数据挖掘。方法分子生物学。,401, 155-166. ,
[31] McDougal,R.、Bulanova,A.和Lytton,W.W.(2016)。计算神经科学模型和模拟的再现性。IEEE生物医学工程学报PP(99)。doi:10.1109/TBME.016.2539602。
[32] McDougal,R.A.、Hines,M.L.和Lytton,W.W.(2013)。神经元模拟器中的反应扩散。神经信息学前沿,
[33] Migliore,M.、Cannia,C.、Lytton,W.和Hines,M.(2006年)。使用NEURON的并行网络模拟。计算神经科学杂志,6119-129·Zbl 1182.68351号
[34] Ray,S.和Bhalla,U.(2008年)。PyMOOSE:用Python为MOOSE编写互操作脚本。神经信息学前沿,2,6。
[35] Salmon,J.、Moraes,M.、Dror,R.和Shaw,D.(2011年)。并行随机数:简单到1,2,3。2011年高性能计算、网络、存储和分析国际会议论文集。纽约:ACM,
[36] Schmitt,O.和Eipert,P.(2012年)。神经viisas:接近大鼠连接体的多尺度模拟。神经信息学,10,243-267,
[37] Sivagnanam,S.、Majumdar,A.、Yoshimoto,K.、Astakhov,V.、Bandrowski,A.、Martone,M.和Carnevale,N.(2013年)。介绍神经科学门户。CEUR研讨会会议记录。http://ceur-ws.org/HOWTOSUBMIT.html
[38] Sivagnanam,S.、Majumdar,A.、Yoshimoto,K.、Astakhov,V.、Bandrowski,A.、Marton,M.和Carnevale,N.T.(2015)。早期开发和管理神经科学门户的经验。并发与计算:实践与经验,27473-488,
[39] Sneddon,M.、Faeder,J.和Emonet,T.(2011年)。使用NFsim对生物复杂性进行高效建模、模拟和粗粒度处理。自然方法,8(2),177-183,
[40] Yamazaki,T.、Ikeno,H.、Okumura,Y.、Satoh,S.、Kamiyama,Y.和Hirata,Y.…Usui,S.(2011)。仿真平台:基于云的在线仿真环境。神经网络。,24, 693-698. ,
[41] Zenke,F.和Gerstner,W.(2014年)。使用通用计算机对峰值神经网络进行高速模拟的限制。神经信息学前沿,8,76,
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