Modelos de redes neurais com neurônios estocásticos e diferentes topologias: construção e análise

Resumo

O objetivo deste projeto é construir modelos estocásticos de redes neurais corticais com três arquiteturas diferentes: uma rede aleatória com topologia de Erdos-Rényi, uma rede aleatória com topologia hierárquica e modular e uma rede aleatória com topologia em camadas e conectividade determinada a partir de dados experimentais para a micro-circuitaria local do córtex. Redes com essas três arquiteturas usando modelos determinísticos de neurônios têm sido amplamente estudadas na literatura de neurociência computacional e o objetivo aqui será construir versões dessas redes com modelos estocásticos de neurônios para comparação. O modelo estocástico de neurônio a ser utilizado é o recentemente proposto por Galves e Löcherbach (J. Stat. Phys. 151:896-921, 2013) na versão simplificada considerada por Brochini et al. (Sci. Rep. 6:35831, 2016). A motivação para o uso de modelos estocásticos de neurônios é a observação experimental de que neurônios do cérebro apresentam variabilidade em suas respostas a repetições de um mesmo estímulo. A hipótese adotada é a de que o comportamento estocástico dos neurônios possui influência na dinâmica da rede neural, devendo não ser ignorada em simulações. Para a comparação com os modelos estocásticos a ser construídos serão considerados como padrão de referência versões publicadas de modelos determinísticos com as três arquiteturas. Os modelos determinísticos são compostos por neurônios excitatórios e inibitórios com parâmetros ajustados para que as redes estejam em um estado balanceado entre excitação e inibição apresentando atividade espontânea assíncrona e irregular. Os modelos estocásticos a ser construídos também terão seus parâmetros ajustados para que exibam atividade espontânea assíncrona e irregular similar à das versões determinísticas. A comparação entre os modelos determinísticos e estocásticos será feita por medidas estatísticas comumente usadas para caracterizar trens de disparos neuronais. (AU)