Experimente mit einer einzelnen Nervenzelle

0. Umgebung vorbereiten

Bevor wir mit unseren Experimenten beginnen können, müssen wir erneut unsere Umgebung vorbereiten:

from _static.common.helpers import setup_hardware_client
setup_hardware_client()

1. Einfluss der Zellparameter

Zuerst wollen wir uns genauer mit der Dynamik einer einzelnen Nervenzelle auseinandersetzen. Dazu verändern wir ihre Zellparameter und schauen uns das resultierende Membranpotential an.

import pynn_brainscales.brainscales2 as pynn
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
from IPython.display import HTML
import ipywidgets as w
from functools import partial
import quantities as pq

from _static.common.helpers import get_nightly_calibration

Slider = partial(w.IntSlider, continuous_update=False)

display(HTML('''
<style>
    .jupyter-widgets { min-width: 30em !important; }
    .widget-label { min-width: 20ex !important; }
</style>'''))

neuron_parameters = dict(
    leak_v_leak=Slider(400, 300, 1000, description="Ruhepotential"),
    leak_i_bias=Slider(200, 0, 1022, description="Membran-Zeitkonstante"),
    threshold_v_threshold=Slider(400, 0, 600, description="Schwellenspannung"),
    threshold_enable=w.fixed(True), #w.Checkbox(True, description="Vergleichsaktivierung"),
    refractory_period_refractory_time=Slider(100, 0, 255, description="Refraktärzeit"),
    reset_v_reset=Slider(300, 300, 1000, description="Umkehrspannung"),
    reset_i_bias=Slider(1000, 0, 1022, description="Umkehr-Zeitkonstante"),
    membrane_capacitance_capacitance=Slider(63, 0, 63, description="Membrankapazität")
)
plot_output = w.Output()
text_output = w.Output()

def experiment(**neuron_parameters):
    calib = get_nightly_calibration()
    pynn.setup(initial_config=calib)

    pop = pynn.Population(1, pynn.cells.HXNeuron(**neuron_parameters))
    pop.record(["spikes", "v"])

    # Die Laufzeit kann auch angepasst werden.
    pynn.run(0.1)

    spiketrain = pop.get_data("spikes").segments[0].spiketrains[0]

    mem_v = pop.get_data("v").segments[0].irregularlysampledsignals[0]
    text_output.clear_output()
    plot_output.clear_output()
    with plot_output:
        plt.figure()
        plt.plot(mem_v.times.rescale(pq.us), mem_v)
        plt.xlabel("Zeit [µs]")
        plt.ylabel("Membranpotential [LSB]")
        plt.ylim(0, 750)
        plt.show()
    with text_output:
        print(f"Das Neuron hat {len(spiketrain)} mal gefeuert.")
        if len(spiketrain) > 0:
            spiketimes = ", ".join(f"{x*1000:.0f}" for x in spiketrain)
            print(f"Die Zeitpunkte der Spikes waren [µs]:\n{spiketimes}")

    pynn.end()

sliders = w.interactive(experiment, **neuron_parameters)
display(w.VBox([w.HBox([sliders, plot_output]), text_output]))
../_images/girlsday_single_neuron_output1.png

  1. Was ist zu sehen? Wieso ist das so? Was erwartet ihr zu sehen? Beachtet dabei, dass auf allen Signalen auch ein Rauschen vorliegen kann. Dieses kann Veränderungen im Bereich von etwa 20 Hardware Einheiten bewirken, ohne dass diese jedoch etwas bedeuten.

  2. Welche Spannung ist dargestellt? Überlegt euch, welche Werte das Membranpotential beeinflussen und überprüft eure Vermutungen. Dazu ist es hilfreich, sich das Aktionspotential nochmal anzuschauen.

../_images/girlsday_actionpotential.png

  1. Nun soll das Ruhepotential auf seinen Maximalwert gesetzt werden, der über der Schwellenspannung liegt. Überlegt euch vorher, was für einen Verlauf ihr dafür erwartet.

  2. Beobachtet in diesem Modus die Auswirkungen, welche die einzelnen Parameter auf die Dynamik haben.

2. Stimulierung einer Nervenzelle

Nun wird unsere Nervenzelle mit anderen Neuronen verbunden, deren Feuerverhalten wir einstellen können. Wir wollen beobachten, wie sich Spikes der Senderpopulation auf die empfangende Nervenzelle auswirken. Neben den Spikezeiten der Sender Population, kann die Anzahl der Neuronen, die sie beinhaltet variiert werden. Des Weiteren kann das synaptische Gewicht, also die Stärke der Verbindung, eingestellt werden. Eine wichtige Rolle spielt auch die Art, wie der Stimulus interpretiert wird, ob exzitatorisch oder inhibitorisch.

import pynn_brainscales.brainscales2 as pynn
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import quantities as pq

from _static.common.helpers import get_nightly_calibration

# Nun muss das Ruhepotential wieder unter die Schwellenspannung gesetzt werden.
neuron_parameters = {                          #                         Bereich
    "leak_v_leak": 400,                        # Ruhepotential          (300-1000)
    "leak_i_bias": 200,                        # Ruhestrom              (0-1022)
    "threshold_v_threshold": 400,              # Schwellenspannung      (0-600)
    "threshold_enable": True,                  # Vergleichsaktivierung
    "refractory_period_refractory_time": 100,  # Refraktärzeit          (0-255)
    "reset_v_reset": 300,                      # Umkehrspannung         (300-1000)
    "reset_i_bias": 1000,                      # Umkehrstrom            (0-1022)
    "membrane_capacitance_capacitance": 63     # Membrankapazität       (0-63)
    }

@w.interact(
    src_size=Slider(5, 0, 100, description="Anzahl Quellneuronen"),
    synapse_weight=Slider(32, 0, 63, description="Synaptisches Gewicht"),
    spike_times=w.Text("10, 30, 50, 70, 90",
                       continuous_update=False,
                       description="Spikezeiten [µs]"),
    receptor_type=w.Dropdown(
        options=["excitatory", "inhibitory"], description="Synapsentyp")
)
def experiment(src_size, synapse_weight, spike_times, receptor_type):
    calib = get_nightly_calibration()
    pynn.setup(initial_config=calib)
    # Das ist das Neuron, das wir beobachten werden.
    pop = pynn.Population(1, pynn.cells.HXNeuron(**neuron_parameters))
    pop.record(["spikes", "v"])

    # Das ist die Sender Population, die zu vorgegebenen Spikezeiten einen Stimulus generiert.
    # Die Spikezeiten und die Populationsgröße sollen verändert werden.
    spike_times = [float(x)/1000 for x in spike_times.split(',')]
    src = pynn.Population(src_size, pynn.cells.SpikeSourceArray(spike_times=spike_times))

    weight = synapse_weight if receptor_type == 'excitatory' else -synapse_weight
    synapse = pynn.synapses.StaticSynapse(weight=weight)

    # Die Sender Population 'src' wird mit dem Neuron in 'pop' verbunden.
    pynn.Projection(src, pop, pynn.AllToAllConnector(),
                    synapse_type=synapse, receptor_type=receptor_type)
    pynn.run(0.1)

    # Das Ergebnis wird ausgegeben.
    mem_v = pop.get_data("v").segments[0].irregularlysampledsignals[0]
    plt.figure(figsize=(10, 5))
    plt.plot(mem_v.times.rescale(pq.us), mem_v)
    plt.xlabel("Zeit [µs]")
    plt.ylabel("Membranpotential [LSB]")
    plt.ylim(0, 750)
    plt.show()
    spiketrain = pop.get_data("spikes").segments[0].spiketrains[0]
    print(f"Das Neuron hat {len(spiketrain)} mal gefeuert.")
    if len(spiketrain) > 0:
        spiketimes = ", ".join(f"{x*1000:.0f}" for x in spiketrain)
        print(f"Die Zeitpunkte der Spikes waren [µs]:\n{spiketimes}")

    pynn.end()
../_images/girlsday_single_neuron_output2.png

  1. Ist zu den eingestellten Spikezeiten der Senderpopulation eine Reaktion im Membranpotential der beobachteten Nervenzelle zu sehen? Feuert es selbst auch schon?

  2. Was geschieht, wenn man in der Projektion den Synapsentyp auf inhibitory stellt?

  3. Nun wollen wir das Neuron zum Feuern bringen. Dazu wird der Synapsentyp wieder auf excitatory gestellt. Ein erster Ansatz um das Neuron zum Feuern zu bringen ist die Anzahl der Partner, von denen es Spikes erhält, zu erhöhen. Ab welcher Größe der Sender Population treten die ersten Spikes auf?

  4. Eine weitere Möglichkeit ist das synaptische Gewicht anzupassen. Stellt dazu wieder eine kleinere Populationsgröße ein und testet, ob ihr durch Erhöhung des synaptischen Gewichts das Neuron zum Feuern bringen könnt.

  5. Als letztes soll noch untersucht werden, was für Auswirkungen es hat, wenn man die Spikezeiten der Sender Population näher zusammen schiebt. Probiert hier auch unterschiedliche Abstände zwischen den einzelnen Spikes aus. Gegebenfalls müsst ihr hier auch nochmal die Neuronparameter anpassen, um einen schönen Verlauf der Membranspannung zu bekommen.