Applications of the Fokker-Planck Equation in Computational and Cognitive Neuroscience
Creators: name: Vellmer, Sebastian
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2020
Subjects: subject: Fokker-Planck Gleichung
subject: Molekularfeldnäherung für Netzwerke aus pulsenden Neuronen
subject: Leistungsspektren von Punktprozessen
subject: Stochastische Neuronenmodelle
subject: Fokker-Planck equation
subject: Mean-field theory of spiking neural networks
subject: Power spectra of point processes
subject: Stochastic neuron models
subject: 530 Physik
subject: SK 820

description: In dieser Arbeit werden mithilfe der Fokker-Planck-Gleichung die Statistiken, vor allem die Leistungsspektren, von Punktprozessen berechnet, die von mehrdimensionalen Integratorneuronen [Engl. integrate-and-fire (IF) neuron], Netzwerken von IF Neuronen und Entscheidungsfindungsmodellen erzeugt werden. Im Gehirn werden Informationen durch Pulszüge von Aktionspotentialen kodiert. IF Neurone mit radikal vereinfachter Erzeugung von Aktionspotentialen haben sich in Studien die auf Pulszeiten fokussiert sind als Standardmodelle etabliert. Eindimensionale IF Modelle können jedoch beobachtetes Pulsverhalten oft nicht beschreiben und müssen dazu erweitert werden. Im erste Teil dieser Arbeit wird eine Theorie zur Berechnung der Pulszugleistungsspektren von stochastischen, multidimensionalen IF Neuronen entwickelt. Ausgehend von der zugehörigen Fokker-Planck-Gleichung werden partiellen Differentialgleichung abgeleitet, deren Lösung sowohl die stationäre Wahrscheinlichkeitsverteilung und Feuerrate, als auch das Pulszugleistungsspektrum beschreibt. Im zweiten Teil wird eine Theorie für große, spärlich verbundene und homogene Netzwerke aus IF Neuronen entwickelt, in der berücksichtigt wird, dass die zeitlichen Korrelationen von Pulszügen selbstkonsistent sind. Neuronale Eingangströme werden durch farbiges Gaußsches Rauschen modelliert, das von einem mehrdimensionalen Ornstein-Uhlenbeck Prozess (OUP) erzeugt wird. Die Koeffizienten des OUP sind vorerst unbekannt und sind als Lösung der Theorie definiert. Um heterogene Netzwerke zu untersuchen, wird eine iterative Methode erweitert. Im dritten Teil wird die Fokker-Planck-Gleichung auf Binärentscheidungen von Diffusionsentscheidungsmodellen [Engl. diffusion-decision models (DDM)] angewendet. Explizite Gleichungen für die Entscheidungszugstatistiken werden für den einfachsten und analytisch lösbaren Fall von der Fokker-Planck-Gleichung hergeleitet. Für nichtliniear Modelle wird die Schwellwertintegrationsmethode erweitert.
description: This thesis is concerned with the calculation of statistics, in particular the power spectra, of point processes generated by stochastic multidimensional integrate-and-fire (IF) neurons, networks of IF neurons and decision-making models from the corresponding Fokker-Planck equations. In the brain, information is encoded by sequences of action potentials. In studies that focus on spike timing, IF neurons that drastically simplify the spike generation have become the standard model. One-dimensional IF neurons do not suffice to accurately model neural dynamics, however, the extension towards multiple dimensions yields realistic behavior at the price of growing complexity. The first part of this work develops a theory of spike-train power spectra for stochastic, multidimensional IF neurons. From the Fokker-Planck equation, a set of partial differential equations is derived that describes the stationary probability density, the firing rate and the spike-train power spectrum. In the second part of this work, a mean-field theory of large and sparsely connected homogeneous networks of spiking neurons is developed that takes into account the self-consistent temporal correlations of spike trains. Neural input is approximated by colored Gaussian noise generated by a multidimensional Ornstein-Uhlenbeck process of which the coefficients are initially unknown but determined by the self-consistency condition and define the solution of the theory. To explore heterogeneous networks, an iterative scheme is extended to determine the distribution of spectra. In the third part, the Fokker-Planck equation is applied to calculate the statistics of sequences of binary decisions from diffusion-decision models (DDM). For the analytically tractable DDM, the statistics are calculated from the corresponding Fokker-Planck equation. To determine the statistics for nonlinear models, the threshold-integration method is generalized.