亚历山大·梅兰森;安德烈·隆廷 应用于锥体神经元膜电压波动的平稳跳跃扩散过程的数据驱动推断。 (英语) 兹比尔1439.92049 数学杂志。神经科学。 9,第6号论文,第30页(2019年). 生物系统的突发活动通常可以表示为低维的朗之万型随机微分方程。然而,在某些系统中,会发生大型和突发事件,并违反了此方法的假设。我们通过提供一种新的方法来解决这种情况,该方法仅基于原始数据的统计数据重建跳跃-扩散随机过程。我们的方法假设这些数据是平稳的,扩散噪声是加性的,跳跃是泊松的。我们使用增量的阈值交叉来检测时间序列中的跳跃。接下来是一个迭代方案,用于补偿错误检测为跳跃的扩散波动的存在。我们的方法基于与这些波动相关的概率计算,并基于Fokker-Planck方程和微分Chapman-Kolmogorov方程的使用。在一些验证案例之后,我们将此方法应用于弱电鱼类电感应侧线叶锥体神经元膜噪声的记录。这些记录显示了随机发生的大型跳跃式去极化事件,其生物物理学尚不清楚。我们发现,当膜电位接近尖峰阈值时,一些锥体细胞的跳跃速率和噪声强度增加,而它们的漂移函数和跳跃幅度分布保持不变。由于我们的方法完全由数据驱动,因此它为进一步研究这些跳跃式事件的功能作用提供了一种有价值的方法,而无需依赖于无约束的生物物理模型。 引用于6文件 MSC公司: 92立方厘米20 神经生物学 60甲15 随机偏微分方程(随机分析方面) 60J74型 离散状态空间上的跳跃过程 第35季度84 福克-普朗克方程 关键词:随机微分方程;跳跃扩散过程;薄膜噪声;信道噪声;电动鱼;锥体神经元;福克-普朗克方程;查普曼-科尔莫戈洛夫方程 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{A.Melanson}和\textit{A.Longtin},J.数学。神经科学。9,第6号论文,30页(2019年;Zbl 1439.92049) 全文: 内政部 OA许可证 参考文献: [1] Haken H.信息与自组织:复杂系统的宏观方法。柏林:施普林格;1988年OCLC:649906343·Zbl 0659.93002号 [2] Holovach Y、Kenna R、Thurner S.《复杂系统:物理之外的物理》。欧洲物理杂志。2017年;38(2):023002. [3] Nicolis G,Rouvas-Nicolis C.复杂系统。Scholarpedia。2007;2(11):1473. [4] 克莱姆森·PT,斯特凡诺夫斯卡·A。识别非自主动力学。物理报告2014;542(4):297-368. [5] Friedrich R,Peinke J,Sahimi M,Reza Rahimi Tabar M。用随机方法处理复杂性:从生物系统到湍流。Phys众议员,2011年;506(5):87-162. [6] Siegert S,Friedrich R,Peinke J.随机系统数据集分析。Phys Lett A.1998;243(5):275-80. ·Zbl 0940.82047号 [7] Lamouroux D,Lehnertz K。基于核的随机过程漂移和扩散系数回归。Phys Lett A.2009;373(39):3507-12. ·Zbl 1233.82034号 [8] van Mourik AM、Daffertshofer A、Beek PJ。在短数据集和非平稳数据集中估计Kramers-Moyal系数。Phys Lett A.2006;351(1):13-7. ·Zbl 1234.82014年 [9] Prusseit J,随机LK。癫痫脑动力学的限定词。物理Rev Lett。2007;98(13):138103. [10] Deco G、MartíD、Ledberg A、Reig R、Sanchez Vives MV。有效减少扩散模型:神经元动力学分析的数据驱动方法。公共科学图书馆计算生物学。2009;5(12):e1000587。 [11] Hindriks R,Jansen R,Bijma F.根据时间序列对Langevin动力学进行无偏估计,并应用于体外海马场电位。Phys Rev E.2011;84(2):021133. [12] Hindriks R,Bijma F.人类自发阿尔法振荡背后的动力学:一种数据驱动的方法。神经影像。2011;57(2):440-51。 [13] Petelczyc M、Zebrowski JJ、Baranowski R.Kramers-Moyal系数在心率变异性分析和建模中的应用。Phys Rev E.2009;80:031127. [14] Petelczyc M,Żebrowski JJ,Orłowska-Baranowska E.Kramers-Moyal展开应用于具有离群值的时间序列的固定质量方法。混乱。2015;25(3):033115. [15] Ragwitz M,Kantz H.从时间序列数据中对Fokker-Planck方程进行必要的有限时间修正。Phys Rev Lett.物理版。2001;87(25):254501. [16] Tutkun M,Mydlarski L.Markovian网格生成湍流中被动标量增量的特性。新物理学杂志。2004;6(1):49. [17] Mousavi SM、Reihani SNS、Anvari G、AnvariM、Alinezhad HG、Tabar MRR。光镊中捕获粒子空间位置时间序列的随机分析。2017年科学报告;7(1):4832。 [18] Musila M,广义LP。Stein的解剖复杂神经元模型。生物系统。1991;25(3):179-91. [19] Giraudo MT,Sacerdote L.跳跃扩散过程是神经元活动的模型。生物系统。1997;40(1):75-82. [20] Giraudo MT,Sacerdote L,Sirovich R.随机跳跃对非常简单的神经元扩散模型的影响。生物系统。2002;67(1):75-83. [21] Sirovich,R。;Sacerdote,L.,单神经元棘波活动跳跃扩散模型中的噪声诱导现象,第4期,3025-3028(2004) [22] Sirovich R、Sacerdote L、Villa AEP。简单尖峰神经元网络跳跃扩散模型中的合作行为。Math Biosci Eng.2014;11(2):385-401. ·Zbl 1279.60066号 [23] Luczka J,Bartussek R,Hänggi P.周期结构中白噪声诱导传输。Europhys Lett公司。1995;31(8):431. [24] Łuczka J,Czernik T,Hanggi P。对称白噪声可以在棘轮中诱导定向电流。Phys Rev E.1997;56:3968-75. [25] Czernik T,Kula J,Łuczka J,Hanggi P.由泊松白噪声驱动的热棘轮。Phys Rev E.1997;55:4057-66. [26] 库,SG;Birge,JR(编辑);Linetsky,V.(编辑),金融工程中资产定价的跳跃-扩散模型,第15期,73-116(2007),阿姆斯特丹 [27] Tankov P,Voltchkova E.跳跃扩散模型:从业者指南。Banque和Marchés银行。2009. ·Zbl 1163.60306号 [28] Daly E,Porporato A.一些跳跃扩散系统的概率动力学。Phys Rev E.2006;73(2):026108. [29] Bandi FM,Nguyen TH。关于跳跃扩散模型的函数估计。《经济学杂志》。2003;116(1):293-328. ·Zbl 1038.62071号 [30] Johannes M.连续时间利率模型中跳跃的统计和经济作用。《金融杂志》。2004;59(1):227-60. [31] Anvari M,Tabar MRR,Peinke J,Lehnertz K。复杂时间序列随机行为的研究。2016年科学报告;6:35435. [32] Lee SS,Hannig J.从Lévy跳跃扩散过程中检测跳跃。《金融经济学杂志》。2010;96(2):271-90. [33] Figueroa-López JE,Nisen J.最优阈值实现了Lévy跳跃扩散模型的功率变化。堆垛工艺应用。2013;123(7):2648-77. ·Zbl 1285.62099号 [34] 帕乌拉RF。用福克-普朗克方程近似线性玻尔兹曼方程。《物理评论》1967;162:186-8. [35] Jun JJ,Longtin A,Maler L.与空间学习相关的主动感知揭示了电鱼中基于记忆的注意力。神经生理学杂志。2016;115(5):2577-92. [36] Gillespie博士。马尔可夫过程:物理科学家简介。第1版,波士顿:学术出版社;1991. ·兹比尔074360001 [37] Risken H,Frank T。福克-普朗克方程:求解方法和应用。第二版,斯普林格协同学系列。柏林:施普林格;1996. ·Zbl 0866.60071号 [38] Patankar SV。数值传热和流体流动。力学和热科学计算方法系列。纽约:半球;1980年,时间:31743097·Zbl 0521.76003号 [39] Katsaggelos阿拉斯加州。迭代图像恢复算法。光学工程1989;28(7):287735. [40] Aït-Sahalia Y,Mancini L.二次变异的样本外预测。《经济学杂志》。2008;147(1):17-33. ·Zbl 1429.62648号 [41] Hansen P,Lunde A.根据间歇性高频数据实现了全天的方差。《金融经济学杂志》。2005;3:525-54. [42] 加德纳CW。随机方法:自然科学和社会科学手册。第四版,斯普林格协同学丛书。柏林:施普林格;2009. ·Zbl 1181.60001号 [43] Gillespie DT,Simple SE。布朗扩散:标准理论模型简介。第1版牛津:牛津大学出版社;2013. ·Zbl 1271.60002号 [44] Marcoux CM、Clarke SE、Nesse WH、Longtin A、Maler L.平衡离子受体动力学支持通过电压依赖性膜噪声进行信号估计。神经生理学杂志。2016;115(1):530-45. [45] White JA、Rubinstein JT、Kay AR。神经元中的通道噪声。《神经科学趋势》。2000;23(3):131-7. [46] Noonan L、Doiron B、Laing C、Longtin A、Turner RW。动态树枝状不应期调节弱电鱼类电感应叶的突发放电。神经科学杂志。2003;23(4):1524-34. [47] Dorval AD,白色JA。通道噪声对内嗅星状神经元阈周振荡至关重要。神经科学杂志。2005;25(43):10025-8。 [48] Diba K、Lester HA、内在KC。培养海马神经元中的噪声:实验和建模。神经科学杂志。2004;24(43):9723-33. [49] Bahraminasab A、Ghasemi F、Stefanovska A、McClintock PVE、Friedrich R。大脑动力学物理学:福克-普朗克分析揭示了麻醉时脑电图δ-θ相互作用的变化。新物理学杂志。2009;11(10):103051。 [50] McDonnell医学博士,Ward LM。噪声在神经系统中的益处:桥接理论和实验。Nat Rev神经科学。2011;12(7):415-26. [51] Schmerl BA,McDonnell MD。听觉脑干神经元模型中的通道噪声诱导随机易化。Phys Rev E.2013;88(5):052722。 [52] Burkitt AN。完整和完整神经元模型综述:I.同质突触输入。Biol Cybern公司。2006;95(1):1-19. ·Zbl 1161.92315号 [53] Faisal AA,Laughlin SB。薄轴突动作电位传播可靠性的随机模拟。公共科学图书馆计算生物学。2007;3(5):e79。 [54] Schneidman E、Freedman B、Segev I。离子通道的随机性可能对确定尖峰计时的可靠性和准确性至关重要。神经计算。1998;10(7):1679-703. [55] 费萨尔AA、赛伦LPJ、沃尔伯特DM。神经系统中的噪音。Nat Rev神经科学。2008;9(4):292-303. [56] Chow C,自发WJA。通道波动引起的动作电位。《生物物理学杂志》1997;71:3013-21. [57] Goldwyn JH,Shea-Brown E.在Hodgkin-Huxley方程中加入信道噪声的内容和位置。公共科学图书馆计算生物学。2011;7(11):e1002247。 [58] Fox RF,Lu Y.在大量全球耦合独立随机离子通道中出现集体行为。Phys Rev E.1994;49(4):3421-31. [59] 福克斯RF。Hodgkin-Huxley方程的随机版本。《生物物理学杂志》1997;72(5):2068-74. [60] Goldwyn JH,Imennov NS,Famulare M,Shea-Brown E.Hodgkin-Huxley神经元离子通道噪声的随机微分方程模型。Phys修订版E.2011;83(第4部分第1):041908。 [61] Linaro D,Storace M,Giugliano M。通过扩散近似精确快速模拟基于电导模型神经元中的信道噪声。公共科学图书馆计算生物学。2011;7(3):e1001102。 [62] Orio P,Soudry D.多状态随机离子通道扩散近似算法的简单快速准确实现。《公共科学图书馆·综合》。2012;7(5):e36670。 [63] 随机Hodgkin-Huxley模型中的Rowat P.Interspike间隔统计:伽马频率爆发和高度不规则放电共存。神经计算。2007;19(5):1215-50·Zbl 1114.92017年 [64] Richardson MJE,Gerstner W.基于电导的突触放电噪声导致阈下神经元电压波动的统计。混乱。2006;16(2):026106. ·Zbl 1152.92309号 [65] Jacobson GA、Diba K、Yaron-Jakoubovitch A、Oz Y、Koch C、Segev I等。大鼠新皮质锥体神经元的阈下电压噪声。生理学杂志。2005;564(第1部分):145-60。 [66] Steinmetz PN,Manwani A,Koch C,London M,Segev I.活动神经元膜中通道波动引起的阈下电压噪声。计算机神经科学杂志。2000;9(2):133-48. [67] Turner RW、Maler L、Deerinck T、Levinson SR、Ellisman MH。脊椎动物感觉神经元振荡放电的基础是TTX敏感的树突状钠通道。神经科学杂志。1994;14(11):6453-71. [68] Zhang J,Carver CM,Choveau FS,Shapiro MS。超分辨率STORM显微镜显示神经元中不同离子通道和信号蛋白的聚集和功能耦合。神经元。2016;92(2):461-78. [69] Bol K、Marsat G、Harvey-Girard E、Longtin A、Maler L.频率调谐小脑通道和突发性LTD导致冗余感觉输入的消除。神经科学杂志。2011;31(30):11028-38. [70] Ashida G,Kubo M.离子通道波动引起的超阈值随机共振。物理博士2010;239(6):327-34. ·Zbl 1183.37148号 [71] Rudolph M,Destexhe A.分布式噪声源神经系统中的相关检测和共振。物理Rev Lett。2001;86(16):3662-5. [72] Jun JJ,Longtin A,Maler L.与空间学习相关的主动感知揭示了电鱼中基于记忆的注意力。神经生理学杂志。2016;115(5):2577-92. [73] Pathria RK,Beale PD,统计力学。第三版,阿姆斯特丹:爱思唯尔/波士顿:学术出版社;2011. ·Zbl 1209.82001号 [74] Papoulis A,概率PSU。随机变量和随机过程的勘误表。第4版波士顿:麦格劳·希尔;2002 [75] 徐惠普。Schaum对概率、随机变量和随机过程的概述。第三版,纽约:McGraw-Hill;2014 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。