Global neural dynamics emerge from multi-scale brain structures, with neurons communicating through synapses to form transiently communicating networks. Network activity arises from intercellular communication that depends on the structure of connectome tracts and local connection, intracellular signalling cascades, and the extracellular molecular milieu that regulate cellular properties. Multi-scale models of brain function have begun to directly link the emergence of global brain dynamics in conscious and unconscious brain states to microscopic changes at the level of cells. In particular, AdEx mean-field models representing statistical properties of local populations of neurons have been connected following human tractography data to represent multi-scale neural phenomena in simulations using The Virtual Brain (TVB). While mean-field models can be run on personal computers for short simulations, or in parallel on high-performance computing (HPC) architectures for longer simulations and parameter scans, the computational burden remains high and vast areas of the parameter space remain unexplored. In this work, we report that our TVB-HPC framework, a modular set of methods used here to implement the TVB-AdEx model for GPU and analyze emergent dynamics, notably accelerates simulations and substantially reduces computational resource requirements. The framework preserves the stability and robustness of the TVB-AdEx model, thus facilitating finer resolution exploration of vast parameter spaces as well as longer simulations previously near impossible to perform. Given that simulation and analysis toolkits are made public as open-source packages, our framework serves as a template onto which other models can be easily scripted and personalized datasets can be used for studies of inter-individual variability of parameters related to functional brain dynamics.


翻译:全局神经动力学源于多尺度脑结构,其中神经元通过突触相互通信,形成瞬时通信网络。网络活动依赖于细胞间通信,这种通信受连接组束结构、局部连接、胞内信号级联反应以及调节细胞特性的胞外分子环境的影响。脑功能的多尺度模型已开始将清醒与无意识脑状态下全局脑动力学的涌现直接与细胞层面的微观变化联系起来。特别是,代表局部神经元群统计特性的AdEx平均场模型已结合人类纤维束成像数据,在利用虚拟脑(TVB)的仿真中表征多尺度神经现象。尽管平均场模型可在个人计算机上运行短时仿真,或在高性能计算(HPC)架构上并行运行以进行更长时仿真和参数扫描,但其计算负担仍然较大,且参数空间中大部分区域尚未探索。本文报告了我们的TVB-HPC框架——一组用于在GPU上实现TVB-AdEx模型并分析涌现动力学的模块化方法——能够显著加速仿真并大幅降低计算资源需求。该框架保持了TVB-AdEx模型的稳定性和鲁棒性,从而可对广阔参数空间进行更精细的分辨率探索,并执行此前近乎不可能的更长时仿真。鉴于仿真与分析工具集已作为开源软件包公开发布,我们的框架可作为模板,便于其他模型快速脚本化,并可利用个性化数据集研究功能性脑动力学相关参数的个体间变异性。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
12+阅读 · 今天4:12
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
3+阅读 · 今天4:09
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
5+阅读 · 今天4:02
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
3+阅读 · 今天3:54
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:33
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:23
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
6+阅读 · 6月9日
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
8+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
6+阅读 · 6月9日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员