A computational model of the primary auditory cortex exhibiting plasticity in the frequency representation

Pinho, Marilene de; Mazza, Marcelo; Roque, Antônio C.

doi:10.1016/j.neucom.2006.07.004

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“…Desta forma, uma solução de compromisso para se implementar simulações biologicamente plausíveis de sistemas neurais com um número razoável de neurônios e sinapses (da ordem de algumas dezenas de milhares) é a utilização de clusters de processadores rodando programas como o PGENESIS, por exemplo. Esta foi a solução adotada pelo Laboratório de Sistemas Neurais (SisNe), coordenado pelo orientador desta dissertação, que adquiriu recentemente um cluster com 10 nós de processamento para a execução de simulações de sistemas neurais em larga-escala (Oliveira e Roque, 2002;Mazza et al, 2004;Simões de Souza e Roque, 2004a,b;Simões de Souza, 2005;de Pinho et al, 2006;Oliveira, 2006;Publio et al, 2006).…”

Section: Introductionunclassified

Otimização de um cluster de alto desempenho para o uso do programa PGENESIS em simulações biologicamente plausíveis em larga-escala de sistemas neurais

Carvalho¹

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Agradeço ao meu orientador professor Roque pela paciência, apoio, oportunidade e imensurável ajuda. Aos meus pais Antonio Carlos e Magali pelo incentivo incondicional e por nunca terem deixado que eu sequer cogitasse a desistência. A minha amada esposa Claudia, pela força "extra" em todas as etapas e por ser a grande incentivadora do meu crescimento acadêmico, profissional e pessoal. Aos irmãos Vanderson, Vitor e Vanessa pelos momentos em família. Aos irmãos de velha data Douglas, Ivan, Renato, Edvaldo, Marcelo, Zé e Tio pela descontração nos momentos de escape e pelo entendimento da ausência nestes últimos tempos. Aos meus avôs Antonio e Geraldo e avós Zulmira e Maria que serviram de modelo de perseverança. Aos demais familiares e amigos que mesmo não cabendo uma dedicatória exclusiva me acompanharam até este momento. Aos colegas de laboratório SISNE pelas conversas produtivas e perguntas bem colocadas que me obrigaram a encontrar respostas ao longo do trabalho. Aos professores da pós graduação que me forneceram as ferramentas necessárias para este estudo. À coordenação do departamento de Física Médica, principalmente ao professor Alexandre e a "moça da secretaria" Nilza. Aos companheiros de trabalho da Proservices Informática que presenciaram o inicio do trabalho e da HPB Engenharia que estiveram do meu lado no final do processo. A Deus por ter me permitido chegar até aqui. A Capes pelo apoio financeiro no momento mais necessário. iv ÍNDICE Lista de Figuras.

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Section: Introductionunclassified

Otimização de um cluster de alto desempenho para o uso do programa PGENESIS em simulações biologicamente plausíveis em larga-escala de sistemas neurais

Carvalho¹

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Formation and disruption of tonotopy in a large-scale model of the auditory cortex

et al. 2015

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There is ample experimental evidence describing changes of tonotopic organisation in the auditory cortex due to environmental factors. In order to uncover the underlying mechanisms, we designed a large-scale computational model of the auditory cortex. The model has up to 100 000 Izhikevich's spiking neurons of 17 different types, almost 21 million synapses, which are evolved according to Spike-Timing-Dependent Plasticity (STDP) and have an architecture akin to existing observations. Validation of the model revealed alternating synchronised/desynchronised states and different modes of oscillatory activity. We provide insight into these phenomena via analysing the activity of neuronal subtypes and testing different causal interventions into the simulation. Our model is able to produce experimental predictions on a cell type basis. To study the influence of environmental factors on the tonotopy, different types of auditory stimulations during the evolution of the network were modelled and compared. We found that strong white noise resulted in completely disrupted tonotopy, which is consistent with in vivo experimental observations. Stimulation with pure tones or spontaneous activity led to a similar degree of tonotopy as in the initial state of the network. Interestingly, weak white noise led to a substantial increase in tonotopy. As the STDP was the only mechanism of plasticity in our model, our results suggest that STDP is a sufficient condition for the emergence and disruption of tonotopy under various types of stimuli. The presented large-scale model of the auditory cortex and the core simulator, SUSNOIMAC, have been made publicly available.

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A computational model of the primary auditory cortex exhibiting plasticity in the frequency representation

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Formation and disruption of tonotopy in a large-scale model of the auditory cortex

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