요즘 snn에 대해서 공부하고 있는데, 학습 메커니즘 중 STDP라고 하는 것이 있고 한국어로 된 자료가 많이 없길래 어떠한 개념인지 정리해 올려보고자 한다.
본 블로그는 학생이 직접 공부하고 남기는 기록으로써 잘못된 내용이 있다면 댓글 달아주시면 감사하겠습니다.
Spike-timing-dependent plasticity
STDP는 시냅스 전 뉴런과 시냅스 후 뉴련의 스파이크(활동 전위)발생 시간 차이에 따라 시냅스 강도가 변화하는 메커니즘이다.
STDP의 주요 특징
1. 시간 의존성
시냅스 전 세포의 스파이크와 시냅스 후 세포의 스파이크 간의 차이가 시냅스 강도 변화의 방향과 크기를 결정한다. 시냅스 전 세포가 시냅스 후 세포보다 먼저 스파이크를 발생시키면 시냅스가 강화되고, 반대의 경우에는 시냅스가 약화된다.
여기서 시냅스가 강화된다는 말은 무엇일까?
시냅스 전 뉴런이 먼저 스파이크를 발생시키고 이후에 시냅스 후 노련이 스파이크를 발생시키면, 시냅스 후 뉴런의 활동이 시냅스 이전 뉴런의 활동에 의해 유도된것으로 간주될 수 있고 이것은 다음과 같은 방식으로 설명될 수 있다.
- 신경 전달 물질의 증가
- 수용체의 민감도 증가
- 시냅스 구조의 변화
위와 같은 현상들을 시냅스 강화라고 부른다.
2. LTP와 LTD
- LTP[Long-Term Potentation] : 시냅스 전 스파이크가 시냅스 후 스파이크보다 먼저 발생할 때 시냅스 강도가 증가하는 것을 의미
- LTD[Long-Term Depression] : 시냅스 후 스파이크가 시냅스 전 스파이크보다 머넞 발생할 때 시냅스 강도가 감소하는 것을 의미
여기서 시냅스가 약화된다는 말은 무엇일까?
시냅스의 효율성이나 강도가 감소하는 현상을 의미하며 이는 신경세포 간의 정보 전달이 약하지는 것을 의미한다
- 시냅스 후 뉴런의 스파이크 후 시냅스 전 뉴런의 활동
- 칼슘 농도 변화
- 신경 전달 물질 수용체
위와 같은 현상들로 시냅스 약화가 일어날 수 있다.
3. 비선형성
시간 차이에 따른 시냅스 강도 변화는 비선형적이다. 즉, 시냅스 전후 스파이크의 시간차이가 클 수록 시냅스 강도 변화의 크기가 감소한다.
STDP의 수식적 표현
STDP를 수식으로 표현하면 다음과 같다
- 시냅스 전 스파이크가 시냅스 후 스파이크보다 Δt만큼 먼저 발생할 때:
- 시냅스 후 스파이크가 시냅스 전 스파이크보다 Δt만큼 먼저 발생할 때:
여기서 와 는 시냅스 가소성의 크기를 결정하는 상수이며, 와 는 시간 상수이다.
생리학적 기초
STDP는 실제 생리학적 실험을 통해 발견되었으며, 여러 신경세포에서 확인되었다. 이러한 실험들은 신경 회로가 어떻게 환경에 적응하고 학습하는지 이해하는데 중요한 단서를 제공한다. 특히 STDP는 해마(hippocampus)와 같은 기억 형서엥 중요한 뇌 영역에서 활발히 연구되고 있다.
