Μάθηση συσχετισμένης χρονικής διαφοράς εισόδων από συναπτικά συνδεδεμένους νευρώνες

Abstract

Στην παρούσα εργασία, εξετάστηκε κατά πόσον μπορεί να υπάρχει ένας βιολογικός μηχανισμός, όπου οι νευρώνες μπορούν να εκπαιδεύονται, έτσι ώστε να μαθαίνουν μία συσχετισμένη χρονική διαφορά των εισόδων από διαφορετικές τοποθεσίες του δενδρίτη. Για να αποδειχθεί το παραπάνω στήθηκε ένα μοντέλο, στο οποίο έχουν εισαχθεί διάφοροι μηχανισμοί μάθησης και με βάση το οποίο, ένας νευρώνας στόχος, δέχεται εισόδους (δυναμικά ενεργείας) από νευρώνες που συνδέονται συναπτικά σε διαφορετικές αποστάσεις από το σώμα και πυροβολούν διαδοχικά και με σταθερή χρονική διαφορά. Η επιτυχία του μοντέλου, βασίστηκε καταρχήν, στην έρευνα για την επιλογή των κατάλληλων ιοντικών καναλιών και ρευμάτων για να βοηθήσουν την παραγωγή αλλά και την μετάδοση προς τα πίσω στους δενδρίτες, δυναμικών ενεργείας, όπως επίσης, στην επιλογή του κατάλληλου μηχανισμού μάθησης για να προσθέσει ανταγωνισμό μεταξύ των συνάψεων και να συμβάλει στην καλύτερη ενδυνάμωση του νευρώνα. Τέλος έγινε μία προκαταρκτική μελέτη με την επιλογή του pRAM (probabilistic RAM) μηχανισμού που μοντελοποιεί τη στοχαστική αλλά και την αυθόρμητη απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών από τις συνάψεις. Εφόσον το σήμα εξασθενεί με την απόσταση, αυτό σημαίνει ότι, θα ενδυναμωθεί περισσότερο εκείνο το ζεύγος των συνάψεων μεταξύ των νευρώνων που αντιστοιχεί στην μικρότερη απόσταση, που όμως δεν αποτελεί το επιθυμητό αποτέλεσμα, αφού ο χρόνος μετάδοσης του σήματος δεν αντιστοιχεί στη συσχετισμένη χρονική διαφορά την οποία ο νευρώνας εκπαιδεύεται να μάθει. Πιστεύουμε όμως ότι εάν οι συνάψεις με τις οποίες ο νευρώνας στόχος συνδέεται συναπτικά είναι στοχαστικές, τότε μετά από επανάληψη των πυροδοτήσεων των νευρώνων που συνδέονται συναπτικά με τον νευρώνα στόχο, θα παρατηρηθεί ότι μόνο μεμονωμένα ζευγάρια από τις συναπτικές εισόδους θα λάβουν χώρα. Με αυτόν τον τρόπο, θα επιτευχθεί μέγιστη ενδυνάμωση στην περίπτωση εκείνου του ζεύγους των συνάψεων μεταξύ των νευρώνων, όπου ο χρόνος μετάδοσης του σήματος από τη σύναψη του πρώτου νευρώνα στη σύναψη του δεύτερου αντιστοιχεί ακριβώς στη συσχετισμένη χρονική διαφορά με την οποία πυροβολούν οι νευρώνες. Για αυτόν ακριβώς τον λόγο, πιστεύουμε ότι, η στοχαστική φύση των συνάψεων, θα αποτελέσει όπως θεωρητικά αποδεικνύεται σε αυτή την εργασία, μία κρίσιμη ιδιότητα υποβοήθησης της μάθησης της χρονικά συσχετισμένης διαφοράς μεταξύ των προσυναπτικών και μετασυναπτικών πυροδοτήσεων. Η εισαγωγή ρευμάτων Νατρίου ενισχύει την υπόθεση ότι τα δυναμικά ενεργείας τα οποία αρχικοποιούνται στο σώμα ή από θέσεις κοντά στο σώμα, μεταδίδονται προς τα πίσω (back propagation), ενισχύοντας έτσι τα αδύνατα σήματα που παράγονται στους απομακρυσμένους δενδρίτες. Από την άλλη, προσθήκη στο μοντέλο καναλιών Καλίου τύπου Α, περιορίζει την προς τα πίσω μετάδοση των δυναμικών ενεργείας στους δενδρίτες και γενικά βοηθά στην μείωση των διεγερτικών μετασυναπτικών δυναμικών. Επίσης, η προσθήκη στο μοντέλο ρευμάτων ασβεστίου τύπου Τ (Calcium T type) σε συνδυασμό με επίμονα ρεύματα Νατρίου (persistent Na), βοηθούν στην παραγωγή δυναμικών ενεργείας στους δενδρίτες και ενισχύουν το γεγονός ότι, οι δενδρίτες δεν αποτελούν απλά παθητικά καλώδια τα οποία μεταφέρουν σήματα μεταξύ των νευρώνων, αλλά αντίθετα ισοδυναμούν με ενεργά καλώδια. (...)