Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Для цитирования:

Mosekilde E., Sosnovtseva O. V., Postnov D. E., Braun H., Huber M. Noisy neural rhythm generators [Мосекильде Э., Сосновцева О. В., Постнов Д. Э., Браун Х., Хубер М. Нейронные генераторы ритма в присутствии шума] // Известия вузов. ПНД. 2003. Т. 11, вып. 3. С. 95-109. DOI: 10.18500/0869-6632-2003-11-3-95-109

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF and_2003-3_mosekilde-etal.pdf
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
английский
Рубрика: 
Прикладные задачи нелинейной теории колебаний и волн
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
532.517, 517.9, 621.373
DOI: 
10.18500/0869-6632-2003-11-3-95-109

Noisy neural rhythm generators
[Нейронные генераторы ритма в присутствии шума]

Авторы: 
Мосекильде Эрик, Технический университет Дании
Сосновцева Ольга Владимировна, Датский технический университет
Постнов Дмитрий Энгелевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Браун Ханс Альберт, Университет Марбурга
Хубер Мартин Тобиас, Университет Марбурга
Аннотация: 

Исследуются динамические особенности генерации последовательности спайков в присутствии шума для трех различных моделей нейронных генераторов ритма: простой нейронной модели, которая воспроизводит импульсную модуляцию для кодирования температуры в холодовых рецепторах млекопитающих, минимальной нейронной сети, описывающей переходы между бета- и гамма-ритмами в мозге, и электронного переключательного устройства, представляющего собой простой генератор дыхательного ритма улитки. Мы показываем, что шум может объяснить множество особенностей в наблюдаемой последовательности спайков, вызывать когерентные переключения между различными состояниями, и индуцировать новые ритмы в малых нейронных ансамблях.

Ключевые слова: 
-
Благодарности: 
Работа выполнена при частичной поддержке гранта INTAS 01-2061 и гранта РФФИ 01-02-16709. О.С. выражает благодарность INTAS (грант YSF 01/1-0023) и фонду Lundbeck.
Список источников: 
  1. Anishchenko V.S. Dynamical Chaos: Models and Experiments. World Scientific, Singapore, 1995.
  2. Anishchenko V.S., Astakhov V.V., Neiman A.B., Vadivasova T.E., and Schimansky-Geier L. Nonlinear Dynamics of Chaotic and Stochastic Systems. Springer Verlag, Berlin, 2002.
  3. Eckhorn R., Bauer R., Jordan W., Brosch M., Kruse W., Munk W., and Reitboeck H.J. Coherent oscillations: A mechanism оf feature linking in the visual cortex? Biol. Cybern. 60 (1988), 121-130.
  4. Gray C.M., Kénig Р., Engel AK., and Singer W. Oscillatory responses in саt visual cortex exhibit inter-columnar synchronization which reflects global stimulus properties, Nature 338 (1989), 334-337.
  5. Braun H.A., Bade H., and Hensel H. Static and dynamic discharge patterns of bursting cold fibers related to hypothetical receptor mechanisms. Pfligers Arch. 386 (1980), 1-9.
  6. Braun H.A., Schéfer K., Wissing H., and Hensel H. Periodic transduction processes in thermosensitive receptors // Sensory Receptor Mechanisms (eds W. Hamann, A. Iggo), World Scientific, Singapore, (1984), 147-156.
  7. Braun H.A., Huber M.T., Dewald M., Schifer K., and Voigt K. Computer simulations of neuronal signal transduction: The role оf nonlinear dynamics and noise // Int. J. Bifurcation &. Chaos.1998. Vol. 8. Pp. 881-889.
  8. Braun W., Eckhardt B., Braun H.A., and Huber М.Т. Phase space structure оf а thermoreceptor // Phys. Rev. Е. 2000. Vol. 62. Pp. 6352-6360.
  9. Feudel U., Neiman A., Pei X., Wojtenek W., Braun H.A., and Huber M.T. Homoclinic bifurcations in а Hodgkin-Huxley model оf thermally sensitive neurons // Chaos. 2000. Vol. 10. Pp. 231-239.
  10. Tuckwell H.C. Stochastic Processes in the Neurosciences. SIAM, Philadelphia, 1989; Taylor J.G., Neurodynamics, (eds Е. Faseman and H.D. Doebner), World Scientific, Singapore (1991), 129-164.
  11. Braun H.A., Wissing H., Schfer K., and Hirsch M.C. Oscillation and noise determine signal transduction in shark multimodal sensory cells // Nature. 1994. Vol. 367. Рр. 270-273.
  12. Russell D.F., Wilkens L.A., and Moss Е. Use of behavioural stochastic resonance by paddle fish for feeding // Nature. 1999. Vol. 402. Pp. 291-294.
  13. Nakamura K. Stochastic Resonance in the FitzHugh-Nagumo Neuron Model // Proc. Inst. Natural Sci. 2000. Vol. 35. Pp. 179-185.
  14. Pikovsky A.S. and Kurth J. Coherence resonance in a noise-driven excitable system // Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78. Рр. 775-778.
  15. Neiman А., Pei X., Russell Р., Wojtenek W., Wilkens L., Moss F., Braun Н.А., Huber M.T., and Voigt K. Synchronization of the noise electrosensitive cells in the paddlefish // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. Pp. 660-663.
  16. Kopell N., Ermentrout G.B., Whittington М.А., and Traub R.D. Gamma rhythms and beta rhythms have different synchronization properties // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 97. Pp. 1867-1872.
  17. Bressler S.L., Coppola R., and Nakamura R. Episodic multiregional cortical coherence at multiple frequencies during visual task performance // Nature. 1993. Vol 366. Pp. 153-156.
  18. Braun H.A., Huber M.T., Anthes N., Voigt K., Neiman A., Pei X., and Moss F. Interaction between slow and fast conductances in the Huber/Braun model of cold-receptor discharges // Neurocomputing. 2000. Vol. 32-33. Pp. 51-59.
  19. Fox R.F., Gatland L.R., Roy R., and Vemuri С. Fast accurate algorithm for numerical simulation оf exponentially correlated colored noise // Phys. Rev. А. 1988. Vol. 38. Pp. 5938-5940.
  20. 20. 1) Equilibrium potentials: Esd=Ed=50, Vsr=Vr=-90, V1=-60 (mV); 2) ionic conductances: g1=0.1, gd=1.5, gr=2.0, gsd=0.25, gsr=0.4 (mS/cm2), 3) membrane capacitance: C=1 (mF/cm2) gives a passive time constant tm=Clg1=10 (ms); 4) activation time constants: tr=2, tsd=2, tsr=2 (ms); 5) slope оf steady state activation: sd=sr=0.25, ssd=0.09; 6) half activation potentials V0d=V0r=-25, V0ds=-40 (mV); 7) coupling an relaxation constants for Isr:n=0.012, k=0.17 8) reference temperature: T0=25°(C).
  21. Hodgkin A.L. and Huxley А.Е. A quantitative description оf membrane current and its application to conduction ап excitation in nerve // J. Physiol. 1952. Vol. 117. Pp. 500-544.
  22. Fausboll А. Analysis оf а Minimal Network оf Cortical Neurons. MSc. Thesis, DTU, Denmark, 2001.
  23. Мооте G.P., Perkel D.H., and Segundo J.P. Statistical analysis and functional interpretation of neuronal spike data // Ann. Rev. Physiol. 1966. Vol. 28. Pp. 493-522.
  24. Lee S.-G., Neiman А., and Kim S. Coherence resonance in а Hodgkin -Huxley neuron // Phys. Rev. Е. 1998. Vol. 57. Pp. 3292-3297.
  25. Postnov D.E., Setsinsky D.V., and Sosnovtseva О.М. Stochastic synchronization and the growth in regularity оf the noise-induced oscillations // Tech. Phys. Lett. 2001. Vol. 27. Pp. 49-55.
  26. Rosenzweig M.R., Leiman A.L., Breedlove S.M. Biological Psychology. Sinaur Associated, Inc. Sunderland, Massachusetts, 1996.
  27. Postnov D.E., Han S.K., Yim T., and Sosnovtseva O.V. Experimental observation оf coherence resonance in cascaded excitable systems // Phys. Rev. Е. 1999. Vol. 59. 3791-3794; Han S.K., Yim T., Postnov D.E., and Sosnovtseva O.V. Interacting coherence resonance oscillators // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. Pp. 1771-1774.
  28. Sosnovtseva О.М., Setsinsky D., Fausboll А., Mosekilde Е. Transitions between beta and gamma rhythms in neural systems // Phys. Rev. Е. 2002. Vol. 66. 041901(6).
  29. Postnov D.E., Sosnovtseva O.V., Han S.K., and Kim W.S. Noise-induced multimode behavior in excitable systems // Phys. Rev. E. 2002. Vol. 66. 016203(5).
Поступила в редакцию: 
31.07.2003
Принята к публикации: 
04.09.2003
Опубликована онлайн: 
23.11.2023
Опубликована: 
31.12.2003
  • 439 просмотров