Spike-induced ordering: Stochastic neural spikes provide immediate adaptability to the sensorimotor system
Spike-induced ordering: Stochastic neural spikes provide immediate adaptability to the sensorimotor system
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尖峰诱导排序：随机神经尖峰为感觉运动系统提供即时适应性
DOI：
10.1073/pnas.1819707117
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Kuniyoshi Yasuo
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Yonekura Shogo;Kuniyoshi Yasuo
大多数生物神经元表现出随机和尖峰动作电位。然而，除了噪声容限和能量效率之外，随机尖峰相对于连续信号的益处在很大程度上仍然未知。在这项研究中，我们提供了一个洞察随机尖峰的潜在作用，这可能是有益的生产现场适应性的生物感觉运动剂。我们开发了一个平台，可以将随机尖峰神经网络（sSNN）的随机和不连续输出参数调制为速率编码的平滑输出。这个平台被应用到一个复杂的肌肉神经系统的双足步行者，我们展示了如何随机尖峰可能有助于提高现场的适应性的双足步行者光滑的表面或扰动的随机外力。我们进一步将我们的sSNN平台应用于更一般和简单的感觉运动代理，并展示了sSNN提供的四个基本功能：1）与自然频率同步，2）放大自然频率中的共振运动，3）行为目标状态的盆地扩大，以及4）快速降低复杂性和形成规则的运动模式。我们认为sSNN的益处不仅限于肌肉骨骼动力学。事实上，生物系统的稳定性和适应性的广泛范围可能来自随机尖峰动态。
Most biological neurons exhibit stochastic and spiking action potentials. However, the benefits of stochastic spikes versus continuous signals other than noise tolerance and energy efficiency remain largely unknown. In this study, we provide an insight into the potential roles of stochastic spikes, which may be beneficial for producing on-site adaptability in biological sensorimotor agents. We developed a platform that enables parametric modulation of the stochastic and discontinuous output of a stochastically spiking neural network (sSNN) to the rate-coded smooth output. This platform was applied to a complex musculoskeletal–neural system of a bipedal walker, and we demonstrated how stochastic spikes may help improve on-site adaptability of a bipedal walker to slippery surfaces or perturbation of random external forces. We further applied our sSNN platform to more general and simple sensorimotor agents and demonstrated four basic functions provided by an sSNN: 1) synchronization to a natural frequency, 2) amplification of the resonant motion in a natural frequency, 3) basin enlargement of the behavioral goal state, and 4) rapid complexity reduction and regular motion pattern formation. We propose that the benefits of sSNNs are not limited to musculoskeletal dynamics. Indeed, a wide range of the stability and adaptability of biological systems may arise from stochastic spiking dynamics.
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影响因子：
8.6
作者：
Teramae, J;Tanaka, D
通讯作者：
Tanaka, D
影响因子：
8.6
作者：
Changsong Zhou;J. Kurths
通讯作者：
Changsong Zhou;J. Kurths
DOI：
--
发表时间：
2007-11
期刊：
Bulletin of the Society for Science on Form
影响因子：
--
作者：
山田 祐;平田 隆幸
通讯作者：
山田 祐;平田 隆幸
DOI：
10.1073/pnas.83.21.8410
发表时间：
1986-11-01
影响因子：
11.1
作者：
HOCHNER, B;KLEIN, M;KANDEL, ER
通讯作者：
KANDEL, ER
非尖峰神经元对水蛭运动模式的影响。
影响因子：
2.5
作者：
M. J. Rodriguez;Rodrigo J. Alvarez;L. Szczupak
通讯作者：
L. Szczupak