The Role of Behavioral Timescale Synaptic Plasticity for Memory Storage in Neural Networks

Abstract

La memòria episòdica depèn fonamentalment de la capacitat dels circuits neuronals per emmagatzemar informació d'una sola vegada sobre esdeveniments que es desenvolupen en una escala de temps de segons. Les regles de plasticitat hebbiana estàndard, com la STDP que requereix l'aparellament repetit de l'activació pre- i postsinàptica, són inadequades com a mecanismes fisiològics subjacents a aquest tipus d'aprenentatge ràpid.

Per contra, la plasticitat sinàptica d'escala temporal conductual (BTSP), una forma de plasticitat acabada de descobrir a l'hipocamp, opera en una escala de temps de segons. Aquest mecanisme indueix canvis sinàptics duradors després d'una sola experiència, impulsats per potencials d'altiplà dendrítics, cosa que el fa ideal per codificar records episòdics. Després d'un sol assaig, la capacitat de BTSP per formar ràpidament camps de lloc a les neurones CA1 subratlla el seu paper crític en la formació de la memòria.

Aquesta tesi investiga el paper de BTSP en lemmagatzematge de la memòria dins de la xarxa hipocampal. Derivem un model BTSP simplificat que es presta a una anàlisi matemàtica rigorosa, estenent aquest marc a xarxes recurrents com la regió CA3 de l'hipocamp per explorar les propietats d'emmagatzematge de memòria. A través d'un examen detallat de la dinàmica del record, els nostres resultats demostren que BTSP facilita la codificació i la recuperació d'una gran quantitat de records, i la variabilitat millora tant l'emmagatzematge com el record. A més, explorem l'aspecte no hebbià de BTSP, mostrant que admet representacions homogènies a CA3. En conseqüència, concloem que BTSP és un mecanisme candidat viable subjacent a la memòria episòdica.

La memòria episòdica depèn fonamentalment de la capacitat dels circuits neuronals per emmagatzemar informació duna sola vegada sobre esdeveniments que es desenvolupen en una escala de temps de segons. Les regles de plasticitat hebbiana estàndard, com la STDP que requereix l'aparellament repetit de l'activació pre- i postsinàptica, són inadequades com a mecanismes fisiològics subjacents a aquest tipus d'aprenentatge ràpid.

Per contra, la plasticitat sinàptica "Behavioral Timescale Synaptic Plasticity" (BTSP), una forma de plasticitat acabada de descobrir a l'hipocamp, opera en una escala de temps de segons. Aquest mecanisme indueix canvis sinàptics duradors després d'una sola experiència, impulsats per “plateau potentials” dendrítics, cosa que el fa ideal per codificar records episòdics. Després d'un sol assaig, la capacitat de BTSP per formar ràpidament camps de lloc a les neurones CA1 subratlla el seu paper crític en la formació de la memòria.

Aquesta tesi investiga el paper de BTSP en l'emmagatzematge de la memòria dins de la xarxa hipocampal. Derivem un model BTSP simplificat que es presta a una anàlisi matemàtica rigorosa, estenent aquest marc a xarxes recurrents com la regió CA3 de l'hipocamp per explorar les propietats d'emmagatzematge de memòria. A través d'un examen detallat de la dinàmica del record, els nostres resultats demostren que BTSP facilita la codificació i la recuperació d'una gran quantitat de records, i la variabilitat millora tant l'emmagatzematge com el record. A més, explorem l'aspecte no hebbià de BTSP, mostrant que admet representacions homogènies a CA3. En conseqüència, concloem que BTSP és un mecanisme candidat viable subjacent a la memòria episòdica.

Episodic memory depends crucially on the capacity of neuronal circuits to store information in a one-shot fashion about events that unfold over a time-scale of seconds. Standard Hebbian plasticity rules, such as STDP that require repeated pairing of pre- and post-synaptic activation, are inadequate as physiological mechanisms underlying this type of rapid learning.

Contrary to this, Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP), a newly discovered form of plasticity in the hippocampus, operates on a timescale of seconds. This mechanism induces long-lasting synaptic changes after a single experience, driven by dendritic plateau potentials, making it ideally suited for encoding episodic memories. After just one trial, BTSP’s ability to rapidly form place fields in CA1 neurons underscores its critical role in memory formation.

This thesis investigates the role of BTSP in memory storage within the hippocampal network. We derive a simplified BTSP model that lends itself to rigorous mathematical analysis, extending this framework to recurrent networks such as the CA3 region of the hippocampus to explore its memory storage properties. Through a detailed examination of recall dynamics, our results demonstrate that BTSP facilitates the encoding and retrieval of a large number of memories, with variability enhancing both storage and recall. Additionally, we explore the non-Hebbian aspect of BTSP, showing that it supports homogeneous representations in CA3. Consequently, we conclude that BTSP is a viable candidate mechanism underlying episodic memory.