Stochastic optimal control of single neuron spike trains
Notice bibliographique
Résumé
OBJECTIVE: External control of spike times in single neurons can reveal important information about a neuron's sub-threshold dynamics that lead to spiking, and has the potential to improve brain-machine interfaces and neural prostheses. The goal of this paper is the design of optimal electrical stimulation of a neuron to achieve a target spike train under the physiological constraint to not damage tissue. APPROACH: We pose a stochastic optimal control problem to precisely specify the spike times in a leaky integrate-and-fire (LIF) model of a neuron with noise assumed to be of intrinsic or synaptic origin. In particular, we allow for the noise to be of arbitrary intensity. The optimal control problem is solved using dynamic programming when the controller has access to the voltage (closed-loop control), and using a maximum principle for the transition density when the controller only has access to the spike times (open-loop control). MAIN RESULTS: We have developed a stochastic optimal control algorithm to obtain precise spike times. It is applicable in both the supra-threshold and sub-threshold regimes, under open-loop and closed-loop conditions and with an arbitrary noise intensity; the accuracy of control degrades with increasing intensity of the noise. Simulations show that our algorithms produce the desired results for the LIF model, but also for the case where the neuron dynamics are given by more complex models than the LIF model. This is illustrated explicitly using the Morris-Lecar spiking neuron model, for which an LIF approximation is first obtained from a spike sequence using a previously published method. We further show that a related control strategy based on the assumption that there is no noise performs poorly in comparison to our noise-based strategies. The algorithms are numerically intensive and may require efficiency refinements to achieve real-time control; in particular, the open-loop context is more numerically demanding than the closed-loop one. SIGNIFICANCE: Our main contribution is the online feedback control of a noisy neuron through modulation of the input, taking into account physiological constraints on the control. A precise and robust targeting of neural activity based on stochastic optimal control has great potential for regulating neural activity in e.g. prosthetic applications and to improve our understanding of the basic mechanisms by which neuronal firing patterns can be controlled in vivo.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».