×

复杂动力系统中进化现象的极值理论:神经网络模型中的触发级联。 (英语) Zbl 1448.37116号

物理现象可能导致极端事件。这些事件可以通过长时间的数据进行分析,这些数据在统计上描述了这些事件。这些统计数据已根据概率极值理论进行了形式化。
本文研究了高维复杂系统。衡量现象强度的函数取决于系统在一系列时间内的行为,而不仅仅是在特定时刻。例如,地震可以由单个地震事件触发,即在空间和时间上传播和倍增的破裂。然而,无法预测其强度。这与乔·福特(Joe Ford)的格言相对应:“混沌系统本身就是最快的计算机,也是最简洁的描述。”它无法简化,没有比遵循动力学更好的计算结果的方法了。
作为以神经元级联现象为中心的极值理论的一个例子,对描述大脑皮层电活动的动力学模型进行了深入研究。这些是许多神经元的集体兴奋,既不同步也不相关。在没有任何随机外部网络输入(完全确定性)的情况下,提出了这些级联的动力学定义,称为神经元雪崩。在极值理论的框架内研究了神经元雪崩的动力学行为。
通过理论分析和数值模拟,得到了这些叶栅统计特性的标度关系。它们符合概率形式主义,可以在真实的实验室实验中进行测试。

MSC公司:

37N25号 生物学中的动力系统
37米10 动力系统的时间序列分析
60G70型 极值理论;极值随机过程
92B20型 生物研究、人工生命和相关主题中的神经网络

软件:

伊斯梅夫
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Gnedenko,B.V.,《最大数列分布极限》,Ann.Math。,44, 423-453 (1943) ·Zbl 0063.01643号 ·doi:10.2307/1968974
[2] Lucarini,V.、Faranda,D.、Freitas,A.C.M.、Freitas,J.M.、Holland,M.、Kuna,T.、Nicol,M和Vaienti,S.,《动力系统中的极值和递归》,《纯粹和应用数学:威利文本、专著和图集系列》(威利,2016)·Zbl 1338.37002号
[3] Coles,S.,《极值统计建模导论》(2001),Springer:Springer,伦敦·Zbl 0980.62043号
[4] 托马斯,M。;Lemaitre先生。;Wilson,M.L。;维布德,C。;Yordanov,Y。;Wackernagel,H.,《极值理论在公共卫生中的应用》,《公共科学图书馆·综合》,11,7,e0159312(2016)·doi:10.1371/journal.pone.0159312
[5] Shilnikov,A.L。;Rulkov,N.F.,《二维地图中的混沌起源》,《突发神经活动建模》,国际期刊《分叉猫》。《混沌》,13,3325-3340(2003)·Zbl 1057.37078号 ·doi:10.1142/S0218127403008521
[6] Rulkov,N.F.,《使用二维图模拟脉冲爆发性神经行为》,《物理学》。修订版E,650041922(2002)·Zbl 1244.34077号 ·doi:10.1103/PhysRevE.65.041922
[7] Kanders,K.和Stoop,R.,“Rulkov模型神经元的相位响应特性”,摘自《非线性的突发复杂性》,收录于《物理、工程和生命科学》,《物理学学报》,由G.Mantica,R.Stoop和S.Stramaglia编辑(Springer,2017),第191卷。
[8] Kanders,K。;Lorimer,T。;Stoop,R.,《雪崩和边缘的临界性在神经网络中不一定同时发生》,《混沌》,27,047408(2017)·数字对象标识代码:10.1063/1.4978998
[9] Beggs,J。;Plenz,D.,新皮质回路中的神经元雪崩,《神经科学杂志》。,23, 11167-11177 (2003) ·doi:10.1523/JNEUROSCI.23-35-1167.2003
[10] Beggs,J。;Plenz,D.,《神经雪崩》,《神经科学杂志》。,24, 5216-5229 (2004) ·doi:10.1523/JNEUROSCI.0540-04.2004
[11] 普伦兹,D。;斯图尔特,C。;萧,W。;Yang,H。;克劳斯,A。;Bellay,T.,《器官型培养中神经元雪崩的多电极阵列记录》,J.Vis。有效期2949(2011年)
[12] 弗里德曼,N。;伊藤,S。;Brinkman,B.A.W。;西蒙诺,M。;德维尔,R.E.L。;Dahmen,K.A。;贝格斯,J.M。;Butler,T.C.,高分辨率神经元雪崩数据中的通用临界动力学,Phys。修订稿。,108, 208102 (2012) ·doi:10.1103/PhysRevLett.108.208102
[13] 马佐尼,A。;Broccard,F.D。;加西亚·佩雷斯,E。;Bonifazi,P。;Ruaro,M.E。;Torre,V.,《神经元网络自发活动的动力学》,《公共科学图书馆·综合》,第2、5、e439页(2007年)·doi:10.1371/journal.pone.0000439
[14] Mantica,G。;Perotti,L.,动力学系统中分形强度函数的极值定律:Minkowski分析,J.Phys。A: 数学。理论。,49, 374001 (2016) ·Zbl 1380.37051号 ·doi:10.1088/1751-8113/49/37/374001
[15] 弗雷塔斯,A.C.M。;弗雷塔斯,J.M。;罗德里格斯,F.B。;J.V.苏亚雷斯。
[16] 赫兹公司。;霍普菲尔德,J.J.,《地震周期和神经混响:脉冲耦合阈值元件系统中的集体振荡》,《物理学》。修订稿。,75, 1222-1225 (1995) ·doi:10.1103/PhysRevLett.75.1222
[17] Ford,J.,“经典混沌中的方向”,摘自H.Bailin编辑的《混沌方向》(世界科学,新加坡,1987年)·Zbl 0722.00028号
[18] 霍尔德曼,C。;Beggs,J.M.,临界分支捕获活神经网络中的活动并最大化亚稳态的数量,Phys。修订稿。,2005年5月94日·doi:10.1103/PhysRevLett.94.058101
[19] Shew,W.L。;Yang,H。;彼得曼,T。;罗伊·R。;Plenz,D.,《神经雪崩暗示临界状态下皮层网络的最大动态范围》,《神经科学杂志》。,29, 15595-15600 (2009) ·doi:10.1523/JNEUROSCI.3864-09.2009
[20] Shew,W.L。;Plenz,D.,皮层临界状态的功能益处,神经科学家,19,188-100(2013)·doi:10.1177/1073858412445487
[21] 霍普菲尔德,J.J。;Herz,A.V.,《动作电位的快速局部同步:用耦合积分和核神经元进行计算》,Proc。国家。阿卡德。科学。美国,92,6655(1995)·doi:10.1073/pnas.92.15.6655
[22] Rangan,A.V。;Young,L.S.,《视觉皮层模型中的涌现动力学》,J.Compute。神经科学。,35, 155-167 (2013) ·doi:10.1007/s10827-013-0445-9
[23] Rangan,A.V。;Young,L.S.,《尖峰神经元的动力学:同质性和同步性之间》,J.Compute。神经科学。,34, 433-460 (2013) ·Zbl 1276.92020号 ·doi:10.1007/s10827-012-0429-1
[24] 班纳吉,S。;谢尔,W.J。;Li,L.,脊椎动物视觉系统功能调节中跨模态感觉信息整合的极值理论模型,Front。计算。神经科学。,13, 3 (2019) ·doi:10.3389/fncom.2019.00003
[25] Politi,A。;李维,R。;Oppo,G.L。;Kapral,R.,稳定系统中的不可预测行为,Europhys。莱特。,22, 571 (1993) ·doi:10.1209/0295-5075/22/8/003
[26] 塞特纳,J.P。;Dahmen,K.A。;Myers,C.R.,《爆裂噪音》,《自然》,410,242-250(2001)·doi:10.1038/35065675
[27] 卢,Z。;Squires,S。;Ott,E。;Girvan,M.,《抑制性神经元促进完整核神经元网络中强大的临界放电动力学》,Phys。E版,94062309(2016)·doi:10.103/物理版本E.94.062309
[28] de Arcangelis,L。;Herrmann,H.J.,《学习是一种发生在临界状态下的现象》,Proc。国家。阿卡德。科学。美国,107,3977-3981(2010)·doi:10.1073/pnas.0912289107
[29] Kanders,K。;斯托普,N。;Stoop,R.,《微柱型神经网络激发的普遍性》,《混沌》,29,093109(2019)·Zbl 1423.92011年 ·doi:10.1063/1.5111867
[30] 霍奇金。;赫胥黎,A.F.,《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, 500-544 (1952) ·doi:10.1113/jphysiol.1952.sp004764
[31] Chariker,L。;Young,L.S.,《神经元群体中的突发性放电模式》,J.Compute。神经科学。,38, 203-220 (2015) ·Zbl 1409.92009年9月 ·doi:10.1007/s10827-014-0534-4
[32] 齐尔默,R。;李维,R。;Politi,A。;Torcini,A.,《稀释神经网络中的去同步化》,Phys。E版,74036203(2006)·doi:10.1103/PhysRevE.74.036203
[33] Pikovsky,A。;罗森布卢姆,M。;Kurths,J.,《同步:非线性科学中的普遍概念》(2003),剑桥大学出版社·Zbl 1219.37002号
[34] 拉雷莫尔,D.B。;卡彭特,M.Y。;Ott,E。;Restrepo,J.G.,网络中雪崩的统计特性,物理学。E版,85,066131(2012)·doi:10.1103/PhysRevE.85.066131
[35] 尤里奇,C.W。;Herrmann,J.M。;美国恩斯特,《雪崩动力学的有限尺寸效应》,《物理学》。E版,66,066137(2002)·doi:10.1103/PhysRevE.66.066137
[36] 莱维纳,A。;Herrmann,J.M。;Geisel,T.,《在神经网络中引起自组织临界的动态突触》,《自然物理学》。,3, 857 (2007) ·doi:10.1038/nphys758
[37] de Arcangelis,L。;佩罗内·卡帕诺,C。;Herrmann,H.J.,大脑可塑性的自组织临界模型,物理学。修订稿。,96, 028107 (2006) ·doi:10.1103/PhysRevLett.96.028107
[38] 阿泽夫多,D。;弗雷塔斯,A.C.M。;弗雷塔斯,J.M。;Rodrigues,F.B.,由多个相关极大值产生的极端事件集群,Phys。D、 31533-48(2016)·Zbl 1364.37162号 ·doi:10.1016/j.physd.2015.10.002
[39] Faranda,D。;Messori,G。;Yiou,P.,北大西洋可预测性和极值的动力学代表,科学。代表741278(2017)·doi:10.1038/srep41278
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。