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电磁感应下双稳态Izhikevich神经系统的非高斯噪声和自激逆随机共振。 (英语) Zbl 07529587号

摘要:逆随机共振是指神经元的平均放电速率被噪声抑制的现象,其机理广泛应用于各种生物细胞和经济现象中。本文建立了电磁感应作用下的双稳态Izhikevich神经网络模型和三神经元前馈环Izhikekvich神经网络模体,研究了非高斯色噪声和电自激引起的逆随机共振现象。发现由非高斯有色噪声强度引起的平均发射率曲线存在一个最小值,即逆随机共振现象。所得结果还表明,电自闭引起的逆随机共振表现出相对于突触延迟时间的衰减振荡过程,进一步的研究表明,平均放电率随电自闭时间延迟有几个极小值,称为多重逆随机共振。此外,还研究了三神经元前馈环Izhikevich神经网络基元中的逆随机共振现象,证实了在相同条件下,单个Izhikewich神经元和神经网络基元对不同参数的响应表现出一致性,但也表现出一些差异。最后,在单Izhikevich神经模型和前馈环网络模体中检验了电磁感应对逆随机共振的影响。在一定条件下,电磁感应反馈增益系数(k_1)不宜太大,否则可能会导致FFL网络模体失去抑制放电活动的功能。无论电磁感应参数(k_2)和漏磁系数(k_3)的值如何变化,它们基本上不会影响前馈环路神经网络基序中的ISR。本文的结论可以帮助研究人员了解如何利用逆随机共振的独特机制在生物医学领域和许多跨学科研究中发现优势和避免劣势。

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82至XX 统计力学,物质结构
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参考文献:

[1] Hindmarsh,J.L。;Rose,R.M.,使用两个一阶微分方程的神经冲动模型,《自然》,296,5853,162-164(1982)
[2] 霍奇金,A.L。;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)
[3] Fitzhugh,R.,神经膜理论模型中的冲动和生理状态,生物物理学。J.,1,6,445-466(1961)
[4] 朱,Z。;王,R。;Zhu,F.,基于Hodgkin-Huxley模型的结构神经网络的能量编码,Front。神经科学。,12, 122 (2018)
[5] 张,G。;Wang,C.N。;Alzahrani,F.,记忆性突触驱动的神经元动力学行为研究,混沌孤子分形,108,15-24(2018)
[6] Zhang,Y。;Wang,C.N。;J.Tang,J.,约瑟夫森结连接的FHN神经元的相位耦合同步,科学。中国科技。科学,63,11,2328-2338(2020)
[7] 王,Z。;Wang,R.,结构神经网络的能量分布特性和能量编码,Front。计算。神经科学。,2014年8月14日
[8] 卢,L.L。;贾毅。;Kirunda,J.B.,噪声和突触重量对前馈神经网络中阈下兴奋性突触后电流信号传播的影响,非线性动力学。,95, 2, 1673-1686 (2019)
[9] 卢,L.L。;Kirunda,J.B。;Xu,Y.,温度和电磁感应对Hodgkin-Huxley模型动作电位的影响,《欧洲物理学》。J.规格顶部。,227, 7-9, 767-776 (2018)
[10] Wang,G.W。;Ge,M.Y。;吕丽莲,电磁辐射下前馈混合神经网络亚阈值信号传播效率和保真度的研究,非线性动力学。,103, 3, 2627-2643 (2021)
[11] 医学博士麦克唐奈尔。;北卡罗来纳州伊纳内拉。;Minh-Son,T.O.,《单神经元模型模拟中识别随机共振的方法综述》,Netw。计算。神经系统。,26, 1-4, 35-71 (2015)
[12] 阿吉雷,C。;坎波斯,D。;Pascual,P.,《尖峰/突发神经元网络的模式形成和编码节律分析》,《欧洲物理学》。J.规格顶部。,146, 1, 169-176 (2007)
[13] Horikawa,Y.,FitzHugh-Nagumo模型中传播尖峰的相干共振,IEICE Trans。芬丹。电子。Commun公司。计算。,84, 6, 1593-1596 (2001)
[14] Biscari,P。;Lelli,C.,《FitzHugh-Nagumo模型中的Spike跃迁》,《欧洲物理学》。J.Plus,126,2,1-9(2011)
[15] 穆贾希德,A。;D'Anjou,A。;Torreadea,F.J.,《霍奇金-霍克斯利神经元中的能量和信息》,物理学。版本E,83,3,第031912条pp.(2011)
[16] 丁庆明。;贾瑜,温度和离子通道阻滞对有髓轴突动作电位传播的影响,混沌,31,5,文章053102 pp.(2021)
[17] Yu,Y。;刘,L。;Liu,Y.,自闭症驱动的神经元模型中的动态响应、信息转移和能量依赖,非线性动力学。,90, 2, 2893-2902 (2017)
[18] Yi,M。;Yang,L.J.,通过前馈多层神经网络中放电模式的同步和一致性传播放电率,Phys。E版,81,6第1部分,第061924条,pp.(2010)
[19] Bao,B。;杨琼。;朱德,忆阻-突触耦合莫里斯-利卡尔双神经元网络中初始诱导的共存和同步放电活动,非线性动力学。,99, 3, 1-16 (2020)
[20] Njitache,Z.T。;美国杜布拉。;Kengne,J.,通过不对称电突触耦合的两个神经元中放电模式的共存及其控制,Chaos,30,2,第023101页,(2020)·Zbl 1432.92024
[21] Benzi,R。;Sutera,A。;Vulpini,A.,《随机共振机制》,J.Phys。,14、11、L453(1999)
[22] Bai,C。;杜,L。;Mei,D.C.,相关噪声下logistic增长模型中乘性周期信号引起的随机共振,Cent。《欧洲物理学杂志》。,7, 3, 601-606 (2009)
[23] Wang,C.J.,有色噪声对肿瘤细胞生长系统中随机共振的影响,Phys。Scr.、。,第80、6条,第065004页(2009年)·Zbl 1180.92047号
[24] 韩,Q。;Yang,T。;Zeng,C.,时间延迟对描述植被的生态系统中随机共振的影响,Physica A,408,8,96-105(2014)·Zbl 1395.92183号
[25] 张瑞福。;Cheng,Q.H。;Xu,D.H.,周期力调制噪声驱动的单模激光系统的随机多共振,物理学学报。罪。,64, 2, 24211 (2015)
[26] Agur,Z.,《化疗方案设计中的共振和反共振》,计算机。数学。方法医学,1,3,237-245(1998)·Zbl 0918.92017号
[27] Yu,T。;张,L。;Luo,M.K.,乘性噪声和周期调制噪声驱动的分数阶Langevin方程中的随机共振,Phys。Scr.、。,88,4,第045008条pp.(2013)·Zbl 1278.26015号
[28] Hou,Z.L。;马,J。;Zhan,X.,估计去极化场下神经元的电活动,混沌孤子分形,142,文章110522 pp.(2021)
[29] Yu,D。;卢,L.L。;Wang,G.W.,多时滞耦合FitzHugh-Nagumo模型中有界噪声诱导的同步模式转换,混沌孤子分形,147,第111000页,(2021)
[30] Wang,G.W。;Yu,D。;丁庆明,电场对Hindmarsh-Rose神经元系统多重振动共振的影响,混沌孤子分形,150,第111210页,(2021)·Zbl 1491.78016号
[31] Ge,M.Y。;贾毅。;Lu,L.L.,前馈Izhikevich神经网络中弱信号的传播特性,非线性动力学。,99, 2355-2367 (2020)
[32] Ge,M.Y。;卢,L.L。;Xu,Y.,电磁感应下FitzHugh-Nagumo神经系统中的振动单/双共振和波传播,混沌孤子分形,133,文章109645 pp.(2020)·Zbl 1483.92037号
[33] Yu,D。;王,G。;丁,Q。;Li,T.,有界噪声和时延对可激发神经网络中信号传输的影响,混沌孤子分形,157,第111929页,(2022)·Zbl 1498.92046号
[34] 李·T。;王,G。;Yu,D。;Ding,Q.,具有弱耦合的修正Morris Lecar神经系统中混沌诱导的同步模式转换,非线性Dyn。(2022年)
[35] Yu,D。;卢,L。;王,G。;Yang,L.,多时延耦合FitzHugh Nagumo模型中有界噪声诱导的同步模式转换,混沌孤子分形,147,文章111000 pp.(2021)
[36] Ge,M.Y。;贾毅。;Xu,Y.,在电磁感应和辐射存在下由高频和低频刺激驱动的神经元电活动的模式转换,非线性动力学。,91, 515-523 (2018)
[37] 普莱瑟,H.E。;Tanaka,S.,重置模型神经元中的随机共振,Phys。莱特。A、 225、4-6、228-234(1996)
[38] Ozer,M。;Perc,M。;Uzuntarla,M.,具有局部周期驱动的Hodgkin-Huxley神经元Newman-Watts网络的随机共振,Phys。莱特。A、 373、10、964-968(2009年)·Zbl 1228.92013年9月
[39] 李·S·G。;Kim,S.,随机Hodgkin-Huxley神经元中随机共振的参数依赖性,Phys。版本E,60,1826-830(1999)
[40] Kosko,B。;Mitaim,S.,噪声阈值神经元中的随机共振,神经网络。,16, 5-6, 755-761 (2003)
[41] Wang,C.J。;Yang,K.L。;Qu,S.X.,具有时滞和两个不同调制信号的离散神经元中的随机共振,Phys。Scr.、。,第89、10条,第105001页(2014年)
[42] 李,H。;太阳,X。;Xiao,J.,耦合可兴奋FHN神经元的随机多共振,混沌,28,4,文章043113 pp.(2018)
[43] 托雷斯,J.J。;Elices,I。;Marro,J.,尖峰神经元复杂网络中的随机多共振,国际复杂系统杂志。科学。,3, 1, 21-25 (2013)
[44] Xu,Y。;郭毅。;Ren,G.,热敏神经元的动力学和随机共振,应用。数学。计算。,385,第125427条pp.(2020)·Zbl 1508.92042号
[45] Paydarfar,D。;锻造工,D.B。;Clay,J.R.,神经元起搏器中的噪声输入和开关行为的诱导,J.神经生理学。,96, 6, 3338-3348 (2006)
[46] Zhao,Y。;Li,D.X.,Levy噪声诱导单个神经元的逆随机共振,《现代物理学》。莱特。B、 第33、21条,第1950252页(2019年)
[47] 乌津塔拉,M。;巴雷托,E。;Torres,J.J.,尖峰神经元网络中的逆随机共振,PLoS Comput。生物学,13,7,文章e1005646 pp.(2017)
[48] Li,D.X。;Song,S.L。;Zhang,N.,Levy噪声诱导的霍奇金-赫胥黎神经元Newman-Watts网络逆随机共振,国际。现代物理学杂志。B、 第34、19条,第2050185页(2020年)·Zbl 1443.92067号
[49] 张,N。;李,D。;Xing,Y.,神经系统中Autapse诱导的多重逆随机共振,《欧洲物理学》。J.B,94,1,1-11(2021)
[50] 乌津塔拉,M。;克雷斯曼,J.R。;Ozer,M.,《逆随机共振的动力学结构及其影响》,《物理学》。E版,88,4,第042712条pp.(2013)
[51] 塔克韦尔,H.C。;Jost,J。;Gutkin,B.S.,噪声对节律性神经元放电的抑制和调节,物理。E版,80,3,第031907条pp.(2009)
[52] 卢,L.L。;贾毅。;Ge,M.Y.,高斯和非高斯有色噪声驱动的Hodgkin-Huxley神经系统中的逆随机共振,非线性动力学。,100, 1, 877-889 (2020)
[53] Muhammet,U.,《不可靠突触的突触背景活动诱导的反向随机共振》,Phys。莱特。A、 377、38、2585-2589(2013)·Zbl 1311.92054号
[54] Wang,G.W。;杨利杰。;Zhan,X.,电磁感应下Izhikevich神经网络模体的混沌共振,非线性动力学。,1073945-3962(2022)
[55] 郭,D。;Li,C.,前馈神经元网络基序中的随机和相干共振,Phys。版本E,79,5,第051921条pp.(2009)
[56] Chen,L。;蒋伟(Jiang,W.)。;Yu,H.,时间延迟对前馈神经元网络基序中随机共振的影响,Commun。非线性科学。,19, 4, 1088-1096 (2014) ·Zbl 1457.62352号
[57] Izhikevich,E.M.,尖峰神经元的简单模型,IEEE Trans。神经网络。,14, 6, 1569-1572 (2003)
[58] 伊兹凯维奇,E.M。;加利,J.A。;Edelman,G.M.,《尖峰物理快报》第A节神经元群的一般原子和固态物理模拟动力学,大脑皮层,14,8,933-944(2004)
[59] 伊兹凯维奇,E.M。;Hoppensteadt,F.,爆破映射的分类,Int.J.Bifurcation Chaos,14,113847-3854(2004)·Zbl 1091.37524号
[60] Izhikevich,E.M.,混合扣球模型,Philos。事务处理。R.Soc.伦敦。序列号。A、 36819305061-5070(2010)·Zbl 1211.37108号
[61] Izhikevich,E.M.,皮层尖峰神经元使用的模型,IEEE Trans。神经网络。,15, 5, 1063-1070 (2004)
[62] Sou,N。;Haruhiko,N。;Teruya,Y.,Izhikevich神经元模型中的混沌共振分析,PLoS One,10,9,Article e0138919 pp.(2015)
[63] 吕,M。;Wang,C.N。;Ren,G.D.,磁流效应下神经元电活动模型,非线性动力学。,85, 3, 1479-1490 (2016)
[64] 马,J。;米·L。;周,P.,电磁场耦合诱导的两个神经元之间的相位同步,应用。数学。计算。,307,C,321-328(2017)·Zbl 1411.92049号
[65] Wang,G.W。;Xu,Y。;Ge,M.Y.,高低频电磁辐射驱动的FitzHugh-Nagumo神经模型的模式转换和能量依赖性,AEU-Int.J.Electron。C、 第120、6条,第153209页(2020年)
[66] 秦海霞。;马,J。;Wang,C.N.,Autapse诱导的靶波,神经元规则网络中的螺旋波,Sci。中国物理。机械。,57, 10, 1918-1926 (2014)
[67] Aghababaei,S。;Balaraman,S。;Rajagopal,K.,后突对Hindmarsh-Rose神经元网络中嵌合体状态的影响,混沌孤立分形,153,文章111498 pp.(2021)
[68] Uzun,R。;Yilmaz,E。;Ozer,M.,《自闭症和离子通道阻滞对纽曼-沃茨小世界神经元网络集体放电活动的影响》,Physica A,486386-396(2017)·Zbl 1499.92013年9月
[69] Wio,H.S。;Toral,R.,《噪声诱导跃迁中非高斯噪声源的影响》,《物理学D》,193,1161-168(2003)·Zbl 1062.82048号
[70] Yang,Y。;Li,D.,allee效应下非高斯和高斯色噪声耦合的人口系统,现代物理学。莱特。B、 第32、24条,第1850279页(2018年)
[71] 龚,Y。;Hao,Y。;Xie,Y.,非高斯噪声优化随机复杂网络上Hodgkin-Huxley神经元的尖峰活动,生物物理学。化学。,144, 1-2, 88-93 (2009)
[72] Chizhov,A.V。;Graham,L.J.,基于难熔密度方法的接收有色噪声电流的神经元群体的有效评估,Phys。修订版E,77,1,第011910条第(2008)页
[73] Guo,Y.F。;Xi,B。;Wei,F.,相关非高斯噪声和高斯噪声驱动的FitzHugh-Nagumo神经系统中的随机共振,国际。现代物理学杂志。B、 第31、32条,第1750264页(2017年)·Zbl 1457.92009年
[74] 刘,Y。;Li,C.,星形胶质细胞场中前馈神经元网络基序的随机共振,J.Theoret。《生物学》,335265-275(2013)·Zbl 1397.92114号
[75] 北卡罗来纳州卡什坦。;伊兹科维茨,S。;Milo,R.,网络基序的拓扑推广,物理学。E版,70,3第1部分,第031909条,pp.(2003)
[76] 张,X。;李培杰。;Wu,F.P.,时滞神经元基序从无赢竞争到同步的转变,Europhys。莱特。,97, 5, 58001 (2012)
[77] 马蒂亚斯,F.S。;Gollo,L.L。;Carelli,P.V.,神经元基序生物学上合理模型中的预期同步,BMC神经科学。,14, 1, 275 (2013)
[78] 邓,B。;Yun,D。;Yu,H.,神经元网络基序中神经元间有效连接性对同步动力学的依赖性,混沌孤子分形,82,48-59(2016)
[79] Ge,M.Y。;贾毅。;Xu,Y.,链后marsh-rose神经网络中化学自激诱导的波传播和同步,应用。数学。计算。,352136-145(2019)·Zbl 1428.92009年9月
[80] Jong-Hoon,H.,乘性有色噪声电波中的逆随机共振,物理学。E版,94,5,第052702条,pp.(2016)
[81] 穆罕默德,美国。;约翰,离子通道噪声诱导的逆随机共振,BMC神经科学。,13,补遗1181(2012)
[82] 巴契奇一世。;Klinshov,V。;Nekorkin,V.,具有自适应耦合的可激励主动转子系统中的逆随机共振,Europhys。莱特。,124, 4, 40004 (2018)
[83] 埃尔金,Y。;维利,B。;Matja,P.,无标度神经元网络中的后突增强起搏器诱导的随机共振,Sci。中国科技。科学。,590003364-370(2016)
[84] 李,F。;刘,S。;Li,X.L.,噪声诱导的热敏神经元网络的模式选择,Physica A,589,Article 126627 pp.(2022)·Zbl 07485884号
[85] 雷莫,D。;Sarracino,A。;Arcangelis,L.D.,抑制神经元在临界和超临界自发活动时间相关性中的作用,《物理学A》,565,第125555页,(2021)
[86] Kafraj,M.S。;Parastesh,F。;Jafari,S.,电磁感应和噪声影响下改进的Izhikevich神经元模型的激发模式,混沌孤子分形,137,第109782页,(2020)
[87] Uzun,R.,自闭症和通道阻断对单个神经元多相干共振的影响,应用。数学。计算。,315, 203-210 (2017) ·Zbl 1426.92013号
[88] 乌津塔拉,M。;Uzun,R。;Yilmaz,E.,无标度神经元网络响应中的噪声衰减,混沌孤子分形,56202-208(2013)·Zbl 1348.92020号
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