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Architecture for robust spatiotemporal dynamics in neuronal networks

Architecture for robust spatiotemporal dynamics in neuronal networks
神经网络中鲁棒时空动力学的架构
批准号:
1311755
负责人:
Zachary Kilpatrick
金额:
$18.49万
依托单位:
依托单位国家:
美国
项目类别:
Standard Grant
财政年份:
2013
资助国家:
美国
项目状态:
已结题
起止时间:
2013-09-15 至 2017-08-31

项目摘要

项目成果

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中文摘要
翻译
神经科学的一个主要挑战是了解大脑如何可靠地完成认知任务,尽管存在大量的内在可变性。认知任务通常需要协调的时空活动,实验者可以使用多个电极,电压敏感染料和光学技术来测量。该研究项目的主要目标是开发数学工具,以研究大脑中的空间结构网络如何在噪音面前产生可靠的活动。具体来说,我们将感兴趣的是突触连接的空间结构如何与多个尺度上的噪声相互作用,以影响网络活动。因此,将我们的理论与实验数据联系起来,将需要在随机和非线性分析,多尺度方法和对称分叉理论的新技术的发展。包含空间的神经元网络模型通常假设突触连接仅取决于神经元之间的距离。这样的动力学系统往往是边缘稳定的,所以解决方案在噪声存在的情况下扩散。更现实的神经元连接模型不会产生这种退化。我们建议研究空间异质性如何提高或限制神经网络的鲁棒性。我们将分析编码与工作记忆,决策和地点定位相关的神经活动的模型。我们的工作将有助于数学方法的其他当前的研究领域,在数学生物学有关分析空间扩展系统的噪声的影响。每天,人类都在做决定,使用记忆,并在环境中导航。大脑中的空间结构活动是所有这些过程的基础。空间定位的活动“颠簸”被认为是对空间位置的短期记忆进行编码。活动的波动代表视觉输入和肢体的运动。这些活动模式必须在充满噪音的大脑网络中产生。尽管大脑噪音很大,但我们忠实地执行认知任务。这是怎么发生的?我们将开发数学技术来解决这个主要问题。主要是,我们将探索如何构建神经网络,以支持强大的时空动力学。对认知过程的鲁棒性的洞察可用于开发各种精神障碍的治疗方案。随着人类寿命的增长,阿尔茨海默氏症、痴呆症和帕金森氏症越来越常见。如果没有完善的理论,治疗是不可能的。我们对时空神经编码的分析也将有助于理解多电极空间阵列如何最好地设计用于神经修复等应用。
英文摘要
A major challenge in neuroscience is to understand how the brain reliably completes cognitive tasks, despite a great deal of intrinsic variability. Cognitive tasks often require coordinated spatiotemporal activity, which experimentalists can measure using multiple electrodes, voltage sensitive dye, and optical techniques. The main goal of this research project is to develop mathematical tools to study how spatially structured networks in the brain produce reliable activity in the face of noise. Specifically, we will be interested in how the spatial architecture of synaptic connections interacts with noise on multiple scales to influence network activity. Thus, linking our theory with experimental data will require the development of new techniques in stochastic and nonlinear analysis, multiscale methods, and symmetric bifurcation theory. Neuronal network models that incorporate space often assume synaptic connectivity depends only on the distance between neurons. Such dynamical systems tend to be marginally stable, so solutions diffuse in the presence of noise. More realistic models of neuronal connectivity do not produce such degeneracies. We propose to examine how spatial heterogeneity can improve or limit the robustness of neuronal networks. We will analyze models that encode neural activity linked to working memory, decision making, and place localization. Our work will contribute mathematical methods to other current research areas in math biology concerned with analyzing the effect of noise on spatially extended systems. Everyday, humans make decisions, use memory, and navigate their environment. Spatially structured activity in the brain underlies all these processes. Spatially localized "bumps" of activity are thought to encode short term memories of spatial position. Propagating waves of activity represent visual inputs and the movement of limbs. These activity patterns must be generated in networks of the brain that are fraught with noise. Despite the noisiness of the brain, we execute cognitive tasks faithfully. How does this happen? We will develop mathematical techniques to address this major question. Mainly, we will explore how neuronal networks can be structured to support robust spatiotemporal dynamics. Insight into the robustness of cognitive processes can be used to develop therapeutic solutions for various mental disorders. Alzheimer's, dementia, and Parkinson's present more commonly as human lifespans grow. Treatments are not possible without well-developed theory. Our analysis of spatiotemporal neural coding will also help understanding of how spatial arrays of multielectrodes should best be designed for applications like neural prosthetics.
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会议论文
Collaborative Research: CRCNS Research Proposal: Adaptive Decision Rules in Dynamic Environments
  • 批准号:
    2207700
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 资助金额:
    $24.24万
  • 财政年份:
    2022
  • 负责人:
    Zachary Kilpatrick
  • 依托单位:
Spatiotemporal Neural Dynamics of Visual Decisions
  • 批准号:
    1853630
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 资助金额:
    $25.0万
  • 财政年份:
    2019
  • 负责人:
    Zachary Kilpatrick
  • 依托单位:
International Conference on Mathematical Neuroscience
  • 批准号:
    1642544
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 资助金额:
    $2.0万
  • 财政年份:
    2016
  • 负责人:
    Zachary Kilpatrick
  • 依托单位:
Robust spatiotemporal dynamics in multi-layer neuronal networks
  • 批准号:
    1615737
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 资助金额:
    $23.4万
  • 财政年份:
    2016
  • 负责人:
    Zachary Kilpatrick
  • 依托单位:
国内基金
海外基金
半定松弛与非凸二次约束二次规划研究
  • 批准号:
    11271243
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    王燕军
  • 依托单位:
基于复合编码脉冲串的水下主动隐蔽性探测新方法研究
  • 批准号:
    61271414
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    冯西安
  • 依托单位:
民航客运网络收益管理若干问题的研究
  • 批准号:
    60776817
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    李金林
  • 依托单位:
供应链管理中的稳健型(Robust)策略分析和稳健型优化(Robust Optimization )方法研究
  • 批准号:
    70601028
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    7.0万元
  • 批准年份:
    2006
  • 负责人:
    王明征
  • 依托单位: