Idegrendszeri modellezés

ELTE TTK


2017/18. ősz

A kurzus célja, hogy a hallgatók betekintést nyerjenek az idegrendszer működésébe. A modellek szerepe kettős: Egyrészt az idegrendszer egy komplex rendszer, a sokféle információ szintetizálásához pontos modellekre van szükség. Másrészt az idegrendszer modellezi a külvilágot, az aktivitását megfigyelve ezekről a modellekről is információt gyűjthetünk.

A kurzust elsősorban a matematikától nem idegenkedő biológus vagy az agyunk működése iránt érdeklődő fizikus, mérnök vagy informatikus hallgatóknak ajánljuk, de bárki mást is szívesen látunk. A kurzus 12 előadásból áll, melyekhez idén kísérleti jelleggel szabadon választható, egyszerű gyakorlati feladatok (programozás R nyelven) is kapcsolódnak.

Időpont: hétfő, 16:15 - 17:45
Helyszín: ELTE Lágymányosi kampusz, Déli tömb, 6-104 Entz Géza terem
Tárgykód: kv2n9o46 (ELTE) BIO/07/16 (ELTE, biológia doktori iskola) BMETE47MC40 (BME)
Oktatók: Orbán Gergő, Somogyvári Zoltán, Ujfalussy Balázs
Gyakorlat: Letölthetőek innen

Tanterv:

    Biofizikai alapok

  • szept. 11: Idegi ingerlékenység: bevezetés, bottom-up és top-down modellek, az agy és a számítógép összehasonlítása. Konduktancia alapú modellek: membrán-, reverzál-, egyensúlyi-, nyugalmi és Nernst potenciál, akciós potenciál, ion csatornák, kapuváltozók, serkenthetőség, Hogkin-Huxley modell, időállandó, időskálák szétválasztása. Diák itt. (UB).
  • szept 18: Jelintegráció és jelterjedés az idegsejtekben: szinapszis, szinaptikus potenciál, szaturáció, dendritek, kábel egyenlet Diák itt. (UB)
  • szept. 25: Egyszerű modellek: dinamikus rendszerek analízise: fázis-tér, attraktor, bifurkáció, időskálák szétválasztása, integrátor, rezonátor, IF és LIF modellek, ráta modell, MCP neuron Diák itt. (SZ)

    A neurális kód

  • okt. 2: Hatékony kódolás a szenzoros rendszerekben. A neurális variabilitás eredete: input vagy output, GIF vs. GLM, kódolás, receptív mező, optimális kódolás: entropia, kölcsönös információ Diák itt. (UB)
  • okt. 9: Dekódolás: Bayes szabály, dekódolás, diszkrimináció, szenzitivitás, choice probability, Fisher information (OG). Diák itt
  • okt. 16: Neuron hálózatok: előrecsatolt és visszacsatolt hálózat, súlymátrix, linárizáció, ráta modell, sajátvektor, amplifikáció, EI-hálózatok, nem-normális súlymátrix, tranziens dinamika, variabilitás eredete hálózatokban, serkentés és gátlás egyensúlya Diák itt. (UB)
  • okt. 23: nemzeti ünnep
  • okt. 31: őszi szünet

    Plaszticitás, adaptáció, tanulás

  • nov. 6: A szinaptikus plaszticitás biofizikája: szenzitizáció, habituácio, kondicionálás aplysia-ban, a tanulás molekuláris mechanizmusai. Diák itt és itt(UB és OG)
  • nov. 13: Tanulás tanítóval: hibajavítás, perceptron, backpropagation. Diák itt. (OG)
  • nov. 20: Tanulás tanító nélkül: Hebb szabály és PCA, dimenzió redukciós módszerek populációs aktivitáshoz, Brain-machine interface dimenzió redukció segítségével; tanító nélküli hibajavítás. Diákat lásd az előző alkalomnál. (OG)

    Navigáció és a hippoccampus

  • nov. 27: Memória és a hippokampusz. Hippokampusz és epizódikus memória, HM, attraktor, cell-assembly, Hopfield hálózat A Hopfield hálózat diái a 34-39 oldalon vannak. (SZ)
  • dec. 4: Nobel díj 2014, kódolás és dekódolás hely-sejtekkel, hippokampusz felépítése. Út-integráció és a grid sejtek: út-integráció, periódikus határ-feltétel, zajtűrés, grid sejtek, hiba-javítás, kódolás grid sejtekkel, kínai maradékrendszer kód. (SZ)
  • dec. 11: Navigáció: megerősítéses tanulás, aktor és kritik, TD-learning, value-function, prediction error, kitekintés: prediction error és dopamin kapcsolata, szekvenciák a hippokampuszban: theta és SPW alatt, predikció és tervezés Az utolsó két előadás diái. (SZ)

    Jegyzetek

  • Hasznos, de nem teljes jegyzet (SZ)
  • Biofizika (UB)
  • Régebbi diák és jegyzet. (Péter Érdi and others)
  • selected chapters from Pléh Csaba - Kovács Gyula - Gulyás Balázs (szerk): Kognitív idegtudomány. Osiris, Budapest
    Érdi Péter - Lengyel Máté: Matematikai modellek az idegrendszer-kutatásban. p 126-148.
    Fiser József - Nádasdy Zoltán: Neurális kódolás térben és időben. p 171-201
    Nádasdy Zoltán - Fiser József: A tanulás biológiai és mesterséges neurális hálói p 389
    Káli Szabolcs - Acsády László: A hippocampusfüggő memória neurobiológiai alapjai p 359

    Írásbeli vizsga

  • Dec 19 10:00 BME E épület 203-as terem.
  • Jan 15 10:00 ELTE északi 7.59
  • Jan 22 10:00 ELTE északi 7.59


    2016/17. ősz

    Időpont: hétfő, 16:15 - 17:45
    Helyszín: ELTE Lágymányosi kampusz, Északi Tömb 160
    Tárgykód: kv2n9o46

Tanterv:

  • szept. 12: Biológiai bevezető, modellek az idegtudományban (Somogyvári Zoltán). Diák itt és itt.
  • szept 19: Az idegi elektromos jelek keletkezése, egy Nobel-díjas elmélet (SZ) diák Az első feladat
  • szept. 26: Mi az ami igazán számít? Egyszerűsített idegsejt modellek (SZ) diák
  • okt. 3: Hogyan terjed az idegi jel? (SZ)
  • okt. 10: Információ kódolás és kódfejtés az idegrendszerben (UB) Diák itt .
  • okt. 17: Koordináció idegsejtek között (Ujfalussy Balázs). Diák itt .
  • okt. 24: Tanulás a hibáinkból (UB) Diák itt .
  • okt. 31: őszi szünet
  • nov. 7: Tanulás egy sejttel, felügyelt tanulás, diák (Orbán Gergő) Diák itt
  • nov. 14: Tanulás neuronhálózatban, tanító nélküli tanulás, diák (OG)
  • nov. 21: Stimulus-statisztika és tanulás kapcsolata, diák (OG)
  • nov. 28: Reprezentációs tanulás az idegrendszerben, diák (OG)
  • dec. 5: Egy komplex funkció modellezése: a navigáció diák (SZ)

Hasznos, de nem teljes jegyzet (SZ)



2015/16. ősz

Időpont: hétfő, 16:30 - 18:00
Helyszín: ELTE Lágymányosi kampusz, Északi Tömb 7.14
Tárgykód: kv2n9o46
Feladatok:

Tanterv:

  • szept. 7: Biológiai bevezető, modellek az idegtudományban (Somogyvári Zoltán). Diák itt és itt.
  • szept 14: Az idegi elektromos jelek keletkezése, egy Nobel-díjas elmélet (SZ) diák Az első feladat.
  • szept. 21: Mi az ami igazán számít? Egyszerűsített idegsejt modellek (SZ) diák
  • szept. 28: Hogyan terjed az idegi jel? (SZ)
  • okt. 5: Koordináció idegsejtek között (Ujfalussy Balázs). Diák itt .
  • okt. 12: Információ kódolás és kódfejtés az idegrendszerben (UB) Diák itt .
  • okt. 19: Tanulás a hibáinkból (UB) Diák itt .
  • okt. 26: őszi szünet
  • nov. 2: Tanulás egy sejttel, felügyelt tanulás, diák (Orbán Gergő)
  • nov. 9: Tanulás neuronhálózatban, tanító nélküli tanulás, diák (OG)
  • nov. 16: Stimulus-statisztika és tanulás kapcsolata, diák (OG)
  • nov. 23: Reprezentációs tanulás az idegrendszerben, diák (OG)
  • nov. 30: konzultáció
  • dec. 7: konzultáció


2014/15. ősz

Időpont: hétfő, 16:15-17:45
Helyszín: LK-É-058
Tárgykód: kv2n9o46

  • szept. 8: Biológiai bevezető (Somogyvári Zoltán)
  • szept 15: Modellek az idegtudományban (SZ)
  • szept. 22: Az akciós potenciál és a Hodgkin-Huxley modell, egyszerűsített egysejt-modellek (SZ)
  • szept. 29: Egyszerűsített és kiterjesztett egysejt-modellek (SZ)
  • okt. 6: Gyakorlat: HH- és kábelegyeneltek, hálózatok számítógépes szimulációja (Cserpán Dorottya)
  • okt. 13: A tanulás idegrendszeri modelljei (Bányai Mihály)
  • okt. 20: Megerősítéses tanulás, stratégiák tanulása az idegrendszerben (BM)
  • okt. 27: őszi szünet
  • nov. 3: A memória idegrendszeri modelljei (Gáspár Merse), jegyzet, cikk
  • nov. 10: Gyakorlat: tanulórendszerek számítógépes szimulációja (GM)
  • nov. 17: Kódolás az iderendszerben (Orbán Gergő)
  • nov. 24: A neurális kód értelmezése (OG)
  • dec. 1: Reprezentációs tanulás az idegrendszerben (OG)


2013/14. ősz

Időpont: hétfő, 16:15-17:45
Helyszín: Kémia épület 059
Tárgykód: kv2n9o46

  • szept. 16: Modellek az idegtudományban, biológiai bevezető, diák itt és itt.
  • szept. 23: Az akciós potenciál és a Hodgkin-Huxley modell, egyszerűsített egysejt-modellek (Somogyvári Zoltán diák itt )
  • szept. 30: Egyszerűsített egysejt-modellek, a diák itt (SZ)
  • okt. 7: Térben kiterjesztett egysejt-modellek, szinapszismodellek, a diák itt (SZ)
  • okt. 14: Gyakorlat: HH- és kábelegyeneltek, hálózatok számítógépes szimulációja (Cserpán Dorottya diák itt és itt )
  • okt. 21: A tanulás idegrendszeri modelljei (Bányai Mihály, diák itt)
  • okt. 28: őszi szünet
  • nov. 4: Megerősítéses tanulás, stratégiák tanulása az idegrendszerben (BM, diák itt)
  • nov. 11: A memória idegrendszeri modelljei (BM, diák itt)
  • nov. 18: Gyakorlat: tanulórendszerek számítógépes szimulációja (CSD. vázlat itt)
  • nov. 25: Kódolás az iderendszerben (Orbán Gergő)
  • dec. 2: A neurális kód értelmezése (OG)
  • dec. 9: Reprezentációs tanulás az idegrendszerben (OG)

Ajánlott olvasmány: P. Dayan & L. Abbott: Theoretical Neuroscience
Perceptron applet
Előrecsatolt háló applet
Hopfield háló applet
Boltzmann gép videó



2012/13. ősz

  • szept. 10: Modellek az idegtudományban, biológiai bevezető (Bányai Mihály) diák itt
  • szept. 17: Az akciós potenciál és a Hodgkin-Huxley modell (Somogyvári Zoltán) diák itt
  • szept. 24: Egyszerűsített egysejt-modellek (SZ) diák itt
  • okt. 1: Térben kiterjesztett egysejt-modellek, szinapszismodellek (SZ) diák itt
  • okt. 8: Összetett egysejt-modellezés NEURON szimulációs környezetben (Cserpán Dorottya)
  • okt. 15: Elektrofiziológiai és mikroszkópikus kísérletek és adatelemzés, agy-gép interfészek (SZ) diák itt
  • okt. 22: ez feltehetően munkaszüneti nap lesz
  • okt. 29: őszi szünet
  • nov. 5: fMRI kísérletek és adatelemzés (BM) Fóliák itt.
  • nov. 12: A tanulás idegrendszeri modelljei (BM) Fóliák itt.
  • nov. 19: A memória idegrendszeri modelljei (BM) Fóliák itt.
  • nov. 26: Megerősítéses tanulás, stratégiák tanulása az idegrendszerben (BM) Fóliák itt.
  • dec. 3: Neuronhálózat modellezése számítógépes szimulációs környezetben (CSD)
  • dec. 10: A térbeli navigáció biológiai alapjai, modellek működés közben: helysejtek és gridsejtek (SZ) Fóliák itt.


2011/12. ősz

  • szept. 19: Modellek az idegtudományban (Érdi Péter)
  • szept. 26: Biológiai bevezető (Somogyvári Zoltán) Az előadás fóliái megtalálhatóak itt .
  • okt. 3: Az akciós potenciál és a Hodgkin-Huxley modell (Zalányi László)
  • okt. 10: Egyszerűsített egysejt-modellek (ZL)
  • okt. 17: Térben kiterjesztett egysejt-modellek és NEURON szimulációs környezet (ZL)
  • okt. 24: Idegrendszeri betegségek (Szalisznyó Krisztina). Fóliák itt .
  • okt. 31: munkaszüneti nap
  • nov. 7.: Elektrofiziológiai és mikroszkópikus kísérletek és adatelemzés (SZ) Az előadás fóliái megtalálhatóak itt .
  • nov. 14: fMRI kísérletek és adatelemzés (Bányai Mihály). Fóliák itt.
  • nov. 21: Agy-gép interfészek (SZ)
  • nov. 28: A tanulás idegrendszeri modelljei (BM). Fóliák itt.
  • dec. 5: A memória idegrendszeri modelljei (BM). Fóliák itt.
  • dec. 12: A térbeli navigáció biológiai alapjai, modellek működés közben: helysejtek és gridsejtek (SZ)


2010/11. tavasz

  • feb. 14: Biofizikai alapok: idegi ingerlékenység, nyugalmi potenciál, akciós potenciál. (Ujfalussy Balázs) Jegyzet és a fóliák az egysejtmodellek című órához.
  • feb. 21: Idegi jelfeldolgozás 1.: integráció időben, az idegsejt mint dinamikai rendszer. Fázistér, attraktorok, bifurkációk fóliák itt és itt (Somogyvári Zoltán)
  • feb. 28: Idegi jelfeldolgozás 2.: térbeli integráció, kábelegyenlet (SZ)
  • marc. 7.: Ablakok az agyra: kísérleti módszerek (SZ) fóliák itt.
  • marc. 14., 21.: Információ-kódolás az idegrendszerben. Az idegsejtek tüzelési mintázatai, sztochasztikus modellek. Független vagy korrelációs kód. Kódfejtés. (UB) Az előadás fóliái megtalálhatóak itt és itt.
  • marc. 28.: Tanulás az idegrendszerben: supervised, unsupervised és reinforcement learning. Hebb-szabály, delta-szabály, perceptron. (Bányai Mihály, fóliák itt.)
  • apr. 4.: Memóriamodellek: rövid- és hosszútávú, Hopfield-hálózat, Boltzmann-gép (slideok itt). Oszcillációk: keletkezésük és funkciójuk (slideok itt). (BM)
  • apr. 11., 18.: Idegrendszeri betegségek (Szalisznyó Krisztina) A betegségekhez kapcsolódó fóliák megtalálhatóak itt, itt és még itt is. Az órához kapcsolódi cikkek: Rolls et al., 2008; Grillner et al, 2005, Frank et al., 2007, és még Allene et al., 2008 is.
  • apr. 25.: Húsvéthétfő
  • maj. 2.: Generatív modellek: amikor az agy épít modellt a külvilágról. vázlat (UB)
  • maj. 9.: A térbeli navigáció biológiai alapjai: modellek működés közben: helysejtek és gridsejtek. navigációs (SZ)

Egy példa vizsgasor-részlet található itt és itt is.



2009/10. ősz

A 2009/10-as tanév I. félévében az idegrendszeri modellezés órát tömbösítve, négy alkalommal tartottuk a KFKI Kampuszon. A kurzus tematikája itt található.



Általános anyagok

Korábbi előadásaink összegyűjtött fóliái (18 Mb)

Egyik évben ezekből a cikkekből lehetett választani a hallgatóknak önálló feldolgozásra: