Modeling and characterizing stochastic neurons based on in vitro voltage-dependent spike probability functions

Autor(es)

Lima, Vinicius ^{[1, 2]} ; Pena, Rodrigo F. O. ^{[1, 3, 4]} ; Shimoura, Renan O. ^[1] ; Kamiji, Nilton L. ^[1] ; Ceballos, Cesar C. ^{[1, 5]} ; Borges, Fernando S. ^{[6, 7]} ; Higa, Guilherme S. V. ^[6] ; De Pasquale, Roberto ^[8] ; Roque, Antonio C. ^[1]

Afiliação do(s) autor(es)

^[1] Univ Sao Paulo, Fac Philosophy Sci & Letters Ribeirao Preto, Dept Phys, Ribeirao Preto, SP - Brazil

^[2] Univ Aix Marseille, Inst Neurosci Syst, UMR 1106, INS, Marseille - France

^[3] Rutgers State Univ, Newark, NJ - USA

^[4] New Jersey Inst Technol, Federated Dept Biol Sci, Newark, NJ - USA

^[5] Oregon Hlth & Sci Univ, Vollum Inst, Portland, OR 97201 - USA

^[6] Fed Univ ABC, Ctr Math Computat & Cognit, Sao Bernardo Do Campo, SP - Brazil

^[7] SUNY Downstate Hlth Sci Univ, New York, NY - USA

^[8] Univ Sao Paulo, Inst Biomed Sci, Dept Physiol & Biophys, Sao Paulo, SP - Brazil

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: European Physical Journal-Special Topics; v. 230, n. 14-15, p. 2963-2972, OCT 2021.
• Citações Web of Science: 1

Resumo

Neurons in the nervous system are submitted to distinct sources of noise, such as ionic-channel and synaptic noise, which introduces variability in their responses to repeated presentations of identical stimuli. This motivates the use of stochastic models to describe neuronal behavior. In this work, we characterize an intrinsically stochastic neuron model based on a voltage-dependent spike probability function. We determine the effect of the intrinsic noise in single neurons by measuring the spike time reliability and study the stochastic resonance phenomenon. The model was able to show increased reliability for non-zero intrinsic noise values, according to what is known from the literature, and the addition of intrinsic stochasticity in it enhanced the region in which stochastic-resonance is present. We proceeded to the study at the network level where we investigated the behavior of a random network composed of stochastic neurons. In this case, the addition of an extra dimension, represented by the intrinsic noise, revealed dynamic states of the system that could not be found otherwise. Finally, we propose a method to estimate the spike probability curve from in vitro electrophysiological data. (AU)

• Processo FAPESP: 17/18977-1 - Análise da Contribuição das Sinapses Elétricas na Sicronização Neuronal
• Beneficiário: Fernando da Silva Borges
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 11/50151-0 - Fenômenos dinâmicos em redes complexas: fundamentos e aplicações
• Beneficiário: Elbert Einstein Nehrer Macau
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 13/25667-8 - Mecanismos de propagação de atividade epileptiforme em um modelo cortical de grande porte
• Beneficiário: Rodrigo Felipe de Oliveira Pena
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 17/07688-9 - Estudo computacional das interações hipocampo-córtico-talâmicas: simulando padrões de plasticidade sináptica e atividade oscilatória
• Beneficiário: Renan Oliveira Shimoura
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 18/20277-0 - Neurociência computacional e de sistemas
• Beneficiário: Antonio Carlos Roque da Silva Filho
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 16/03855-5 - Análise na seleção estatística de modelos no córtex visual e na retina: um estudo comparativo
• Beneficiário: Nilton Liuji Kamiji
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 19/14962-5 - Modulação serotoninérgica da spike timing dependent plasticity nas sinapses corticais
• Beneficiário: Roberto De Pasquale
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 13/07699-0 - Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão em Neuromatemática - NeuroMat
• Beneficiário: Oswaldo Baffa Filho
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs
• Processo FAPESP: 15/50122-0 - Fenômenos dinâmicos em redes complexas: fundamentos e aplicações
• Beneficiário: Elbert Einstein Nehrer Macau
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático