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Estabilidade de atividade basal, recuperação e formação de memórias em redes de neurônios

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Estabilidade de atividade basal, recuperação e formação de memórias em redes de neurônios

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Título Estabilidade de atividade basal, recuperação e formação de memórias em redes de neurônios
Outro título Stability of basal activity, retrieval and formation of memories in networks of spiking neurons
Autor Agnes, Everton João
Orientador Brunnet, Leonardo Gregory
Co-orientador Erichsen Junior, Rubem
Data 2014
Nível Doutorado
Instituição Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Instituto de Física. Programa de Pós-Graduação em Física.
Assunto Biofísica
Homeostase
Memoria associativa
Neurociências
Redes neurais
Sinapses
[en] Associative memory
[en] Computational neuroscience
[en] Homeostasis
[en] Synaptic plasticity
[en] Unsupervised learning
Resumo O encéfalo, através de complexa atividade elétrica, é capaz de processar diversos tipos de informação, que são reconhecidos, memorizados e recuperados. A base do processamento é dada pela atividade de neurônios, que se comunicam principalmente através de eventos discretos no tempo: os potenciais de ação. Os disparos desses potenciais de ação podem ser observados por técnicas experimentais; por exemplo, é possível medir os instantes dos disparos dos potenciais de ação de centenas de neurônios em camundongos vivos. No entanto, as intensidades das conexões entre esses neurônios não são totalmente acessíveis, o que, além de outros fatores, impossibilita um entendimento mais completo do funcionamento da rede neural. Desse modo, a neurociência computacional tem papel importante para o entendimento dos processos envolvidos no encéfalo, em vários níveis de detalhamento. Dentro da área da neurociência computacional, o presente trabalho aborda a aquisição e recuperação de memórias dadas por padrões espaciais, onde o espaço é definido pelos neurônios da rede simulada. Primeiro utilizamos o conceito da regra de Hebb para construir redes de neurônios com conexões previamente definidas por esses padrões espaciais. Se as memórias são armazenadas nas conexões entre os neurônios, então a inclusão de um período de aprendizado torna necessária a implementação de plasticidade nos pesos sinápticos. As regras de modificação sináptica que permitem memorização (Hebbianas) geralmente causam instabilidades na atividade dos neurônios. Com isso desenvolvemos regras de plasticidade homeostática capazes de estabilizar a atividade basal de redes de neurônios. Finalizamos com o estudo analítico e numérico de regras de plasticidade sináptica que permitam o aprendizado não-supervisionado por elevação da taxa de disparos de potenciais de ação de neurônios. Mostramos que, com uma regra de aprendizado baseada em evidências experimentais, a recuperação de padrões memorizados é possível, com ativação supervisionada ou espontânea.
Abstract The brain, through complex electrical activity, is able to process different types of information, which are encoded, stored and retrieved. The processing is based on the activity of neurons that communicate primarily by discrete events in time: the action potentials. These action potentials can be observed via experimental techniques; for example, it is possible to measure the moment of action potentials (spikes) of hundreds of neurons in living mice. However, the strength of the connections among these neurons is not fully accessible, which, among other factors, preclude a more complete understanding of the neural network. Thus, computational neuroscience has an important role in understanding the processes involved in the brain, at various levels of detail. Within the field of computational neuroscience, this work presents a study on the acquisition and retrieval of memories given by spatial patterns, where space is defined by the neurons of the simulated network. First we use Hebb’s rule to build up networks of spiking neurons with static connections chosen from these spatial patterns. If memories are stored in the connections between neurons, then synaptic weights should be plastic so that learning is possible. Synaptic plasticity rules that allow memory formation (Hebbian) usually introduce instabilities on the neurons’ activity. Therefore, we developed homeostatic plasticity rules that stabilize baseline activity regimes in neural networks of spiking neurons. This thesis ends with analytical and numerical studies regarding plasticity rules that allow unsupervised learning by increasing the activity of specific neurons. We show that, with a plasticity rule based on experimental evidences, retrieval of learned patterns is possible, either with supervised or spontaneous recalling.
Tipo Tese
URI http://hdl.handle.net/10183/108536
Arquivos Descrição Formato
000948685.pdf (6.665Mb) Texto completo Adobe PDF Visualizar/abrir

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