Phenomenological models of synaptic plasticity based on spike timing

Abstract

Synaptic plasticity is considered to be the biological substrate of learning and memory. In this document we review phenomenological models of short-term and long-term synaptic plasticity, in particular spike-timing dependent plasticity (STDP). The aim of the document is to provide a framework for classifying and evaluating different models of plasticity. We focus on phenomenological synaptic models that are compatible with integrate-and-fire type neuron models where each neuron is described by a small number of variables. This implies that synaptic update rules for short-term or long-term plasticity can only depend on spike timing and, potentially, on membrane potential, as well as on the value of the synaptic weight, or on low-pass filtered (temporally averaged) versions of the above variables. We examine the ability of the models to account for experimental data and to fulfill expectations derived from theoretical considerations. We further discuss their relations to teacher-based rules (supervised learning) and reward-based rules (reinforcement learning). All models discussed in this paper are suitable for large-scale network simulations.

Computação por assembleias neurais em redes neurais pulsadas.

“…Considera-se que as propriedades plásticas das sinapses sejam o substrato biológico do aprendizado e memória. Como destacado em Morrison e colaboradores [39], de um ponto de vista teórico, as regras de modificação sináptica devem:…”

“…A inspiração inicial para modelos de plasticidade tem sido o postulado de Donald Hebb (de 1949), traduzido aqui a partir de [39]:…”

“…Uma descrição cronológica de fatos marcantes na investigação sobre plasticidade pode ser encontrada em Morrison, Diesmann e Gerstner [39]. Neste mesmo texto vê-se que modelos de plasticidade baseadas em spikes e temporização podem ser feitos a partir de uma combinação dos seguintes termos: O primeiro tipo é a plasticidade de curto-prazo (short-term plasticity), que pode ser induzida em tempos curtos, como um segundo ou menos, e persiste por alguns milissegundos.…”

“…Em contrapartida, o segundo tipo, a plasticidade de longo-prazo (long-term plasticity), pode igualmente ser induzida em menos de um segundo ou em poucos segundos; porém, sua persistência é maior. Para se referir a esse segundo tipo são usados dois termos: LTP (long-term potentiation), quando a sinapse aumenta sua força de conexão, e LTD (long-term depression), quando há enfraquecimento da conexão sináptica [39], [28]; Esses dois termos são ainda genericamente conhecidos por STDP, e o efeito desse tipo de plasticidade é duradouro, de mais de uma hora em culturas e em preparos in vitro.…”

“…Há inúmeros trabalhos sobre mecanismos de plasticidade em geral, destacam-se aqui as revisões em [33], [39], [92] e [36]. O texto a seguir é baseado ainda nos trabalhos: [32], [34], [93], [94], [95], [96], [97].…”