The effect of heterogeneity on decorrelation mechanisms in spiking neural networks: a neuromorphic-hardware study

High-level brain function such as memory, classification or reasoning can be realized by means of recurrent networks of simplified model neurons. Analog neuromorphic hardware constitutes a fast and energy efficient substrate for the implementation of such neural computing architectures in technical applications and neuroscientific research. The functional performance of neural networks is often critically dependent on the level of correlations in the neural activity. In finite networks, correlations are typically inevitable due to shared presynaptic input. Recent theoretical studies have shown that inhibitory feedback, abundant in biological neural networks, can actively suppress these shared-input correlations and thereby enable neurons to fire nearly independently. For networks of spiking neurons, the decorrelating effect of inhibitory feedback has so far been explicitly demonstrated only for homogeneous networks of neurons with linear sub-threshold dynamics. Theory, however, suggests that the effect is a general phenomenon, present in any system with sufficient inhibitory feedback, irrespective of the details of the network structure or the neuronal and synaptic properties. Here, we investigate the effect of network heterogeneity on correlations in sparse, random networks of inhibitory neurons with non-linear, conductance-based synapses. Emulations of these networks on the analog neuromorphic hardware system Spikey allow us to test the efficiency of decorrelation by inhibitory feedback in the presence of hardware-specific heterogeneities. The configurability of the hardware substrate enables us to modulate the extent of heterogeneity in a systematic manner. We selectively study the effects of shared input and recurrent connections on correlations in membrane potentials and spike trains. Our results confirm ...Comment: 20 pages, 10 figures, supplement

IR-Level Versus Machine-Level If-Conversion for Predicated Architectures

If-conversion is a simple yet powerful optimization that converts control dependences into data dependences. It allows elimination of branches and increases available instruction level parallelism and thus overall performance. If-conversion can either be applied alone or in combination with other techniques that increase the size of scheduling regions. The presence of hardware support for predicated execution allows if-conversion to be broadly applied in a given program. This makes it necessary to guide the optimization using heuristic estimates regarding its potential benefit. Similar to other transformations in an optimizing compiler, if-conversion inherently su↵ers from phase ordering issues. Driven by these facts, we developed two algorithms for if-conversion targeting the TI TMS320C64x+ architecture within the LLVM framework. Each implementation targets a di↵erent level of code abstraction. While one targets the intermediate representation, the other addresses machine-level code. Both make use of an adapted set of estimation heuristics and prove to be successful in general, but each one exhibits di↵erent strengths and weaknesses. High-level if-conversion, applied before other control flow transformations, has more freedom to operate. But in contrast to its machine-level counterpart, which is more restricted, its estimations of runtime are less accurate. Our results from experimental evaluation show a mean speedup close to 14 % for both algorithms on a set of programs from the MiBench and DSPstone benchmark suites. We give a comparison of the implemented optimizations and discuss gained insights on the topics of ifconversion, phase ordering issues and profitability analysis

Role of interactions in ferrofluid thermal ratchets

Orientational fluctuations of colloidal particles with magnetic moments may be rectified with the help of external magnetic fields with suitably chosen time dependence. As a result a noise-driven rotation of particles occurs giving rise to a macroscopic torque per volume of the carrier liquid. We investigate the influence of mutual interactions between the particles on this ratchet effect by studying a model system with mean-field interactions. The stochastic dynamics may be described by a nonlinear Fokker-Planck equation for the collective orientation of the particles which we solve approximately by using the effective field method. We determine an interval for the ratio between coupling strength and noise intensity for which a self-sustained rectification of fluctuations becomes possible. The ratchet effect then operates under conditions for which it were impossible in the absence of interactions.Comment: 18 pages, 10 figure

Period multiplication in a parametrically driven superconducting resonator

We report on the experimental observation of period multiplication in parametrically driven tunable superconducting resonators. We modulate the magnetic flux through a superconducting quantum interference device, attached to a quarter-wavelength resonator, with frequencies $n\omega$ close to multiples, $n=2,\,3,\,4,\,5$, of the resonator fundamental mode and observe intense output radiation at $\omega$. The output field manifests $n$-fold degeneracy with respect to the phase, the $n$ states are phase shifted by $2\pi/n$ with respect to each other. Our demonstration verifies the theoretical prediction by Guo et al. in PRL 111, 205303 (2013), and paves the way for engineering complex macroscopic quantum cat states with microwave photons

The Staffelegg Formation: a new stratigraphic scheme for the Early Jurassic of northern Switzerland

The deposits of the Early Jurassic in northern Switzerland accumulated in the relatively slowly subsiding transition zone between the southwestern part of the Swabian basin and the eastern part of the Paris basin under fully marine conditions. Terrigenous fine-grained deposits dominate, but calcarenitic and phosphorit-rich strata are intercalated. The total thickness varies between 25 and 50m. In the eastern and central parts of N Switzerland, sediments Sinemurian in age constitute about 90% of the total thickness. To the West, however, in the Mont Terri area, Pliensbachian and Toarcian deposits form 70% of the total thickness. Stratigraphic gaps occur on a local to regional scale throughout N Switzerland. Such hiatus comprise a subzone to a stage in time. With respect to lithology and fossil content, the Early Jurassic deposits in northern Switzerland are similar to those in SW Germany. Nonetheless, an exact stratigraphic correlation is hardly possible, particulary in the southern and southwestern Folded Jura where distinct facies changes occur over short distances. Revised existing and new litho- and biostratigraphic data form the base to refine the stratigraphic subdivision of the deposits that have been informally called "Lias”. The name Staffelegg Formation is suggested and defined as the mapping unit for the Early Jurassic. The Staffelegg Formation is introduced for Early Jurassic sediments in northern Switzerland between the Doubs River and Mt. Weissenstein in the west and the Randen Hills located north of the city of Schaffhausen in the east. The Staffelegg Formation starts within the Planorbis zone of the Hettangian. The upper boundary to the overlying Aalenian Opalinus-Ton is diachronous. The lithostratigraphic names previously in use have been replaced by new ones, in accordance within the rules of lithostratigraphic nomenclature. The Staffelegg Formation comprises 11 members and 9 beds. Several of these beds are important correlation horizons in terms of allostratigraphy. Some of them correspond to strata or erosional unconformities encountered in the Swabian realm, some of them can be correlated with strata in the Paris basin. The facies transition to the Paris basin is expressed by introduction of a corresponding lithostratigraphic uni

Nebenwirkungen und Interaktionen des Xanthinoxidasehemmers Febuxostat

Anzeichen für einen positiven Einfluss von Febuxostat auf die Aktivität der Xanthinoxidase in den Gefäßwänden und die Gefäßelastizität lassen eine Zunahme der Bedeutung dieses Medikaments erwarten. Ziel der vorliegenden Arbeit war ein Überblick auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft über die unter der Therapie mit Febuxostat auftretenden Nebenwirkungen und Interaktionen. Dazu wurden die Daten aus 48 Originalarbeiten mit 12323 Patienten (siehe Anhang 1), 6 sekundären Analysen (siehe Anhang 2) sowie 14 Kasuistiken mit 15 Patienten (siehe Anhang 3) im Hinblick auf die Fragestellung ausgewertet. Unter den Patienten der Originalarbeiten ist bei 20,1% mindestens eine Nebenwirkung (ohne schwere Nebenwirkungen) und bei 1,2% mindestens eine schwere Nebenwirkung aufgetreten. Bei den betrachteten sekundären Analysen lagen diese Anteile bei 39,7% und 3,8%. Im Vergleich dazu liegt bei Allopurinol die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenwirkung bis zu 1,12-mal höher als bei der Therapie mit Febuxostat. Erhöhte Leberwerte waren der häufigste Grund für einen Abbruch der Febuxostat-Einnahme. Unter den aufgetretenen Nebenwirkungen bei Febuxostat hatten muskuloskeletale Beschwerden, Beschwerden des oberen Respirationstraktes, Leberwertveränderungen, Diarrhoe sowie Kopfschmerzen den größten Anteil. Mit steigender Therapiedauer nimmt der Anteil der Patienten mit mindestens einer schweren Nebenwirkung auf bis zu 3,5% (Therapiedauer über 1 Jahr) zu. Eine stetige Zunahme des Auftretens mindestens einer Nebenwirkung (ohne schwere Nebenwirkungen) mit zunehmender Dauer der Therapie konnte nicht gezeigt werden. Bis zu einer Dosis von 125 mg Febuxostat pro Tag lag der Anteil der Patienten mit mindestens einer Nebenwirkung (ohne schwere Nebenwirkungen) bei 43,5%. Verglichen mit Allopurinol beträgt bei einer Dosis von 80 bzw. 120 mg Febuxostat pro Tag das relative Risiko für das Auftreten von Nebenwirkungen unter Febuxostat 0,9 bzw. 0,93. Bei Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion kommt es bis zu einer Dosis von 80 mg Febuxostat pro Tag zu keinem Anstieg unerwünschter Ereignisse. Für die Therapie mit Allopurinol muss die tägliche Dosis reduziert werden. Dennoch besteht auch nach Dosisreduktion bei Patienten mit Niereninsuffizienz ein erhöhtes Risiko fürHypersensitivitätsreaktionen gegenüber Allopurinol. Daher sollte eine harnsäuresenkende Therapie bei Patienten mit Nierenfunktionsstörungen bevorzugt mit Febuxostat erfolgen. Bei Patienten mit Leberfunktionsstörungen sind unter der Therapie mit Febuxostat keine schweren Nebenwirkungen aufgetreten. Bei einer Therapie dieser Patienten mit Allopurinol muss allerdings die erhöhte Gefahr von Hypersensitivitätsreaktionen gegenüber Allopurinol beachtet werden. Daher sollte auch bei diesen Patienten Febuxostat bevorzugt eingesetzt werden. Ein Diabetes mellitus Typ 2 hat weder bei der Therapie mit Febuxostat noch bei Allopurinol negative Auswirkungen auf das Auftreten von Nebenwirkungen. Im Hinblick auf ältere Patienten wird für die Therapie mit Allopurinol die Behandlung mit der niedrigsten therapeutisch vertretbaren Dosis empfohlen. Für die Therapie älterer Patienten mit Febuxostat ist keine pauschale Dosisanpassung gefordert und nötig. Eine bei älteren Patienten oftmals gleichzeitig bestehende eingeschränkte Nierenfunktion spricht dafür, Febuxostat bevorzugt einzusetzen. Patienten, bei denen in der Vorgeschichte eine Unverträglichkeit gegenüber Allopurinol aufgetreten ist, dürfen dieses Medikament nicht mehr erhalten. Eine vorbekannte Allopurinol-Unverträglichkeit erhöht bei der Therapie mit Febuxostat das Risiko von Hautreaktionen um den Faktor 3,6 sowie das Risiko einer Hypersensitivitätsreaktion unter Febuxostat. Von 6 Patienten mit Hautreaktionen bei der Therapie mit Febuxostat waren bei 5 Patienten ähnliche Symptome bereits unter Allopurinol-Therapie aufgetreten. Eine spezielle Form der Hautreaktion stellt das DRESS-Syndrom dar. Bei Febuxostat sind bisher nur 3 Fälle eines DRESS-Syndroms beschrieben. Bei der Therapie mit Allopurinol stellt es eine gefürchtete Komplikation dar und tritt dort mit einer Häufigkeit von bis zu 0,4% auf. Eine gleichzeitig bestehende Niereninsuffizienz erhöht das Risiko unter Allopurinol weiter. Das Auftreten einer Rhabdomyolyse unter der Therapie mit Febuxostat wird im Zusammenhang mit der gleichzeitigen Gabe von Colchicin zusammen mit einem Statin bzw. einem Fibrat gesehen. Daher muss bei dieser medikamentösen Konstellation auf Frühsymptome der Rhabdomyolyse geachtet werden. Die Therapie von Febuxostat zusammen mit Azathioprin muss unter engmaschiger Kontrolle erfolgen, da die Gefahr einer Agranulozytose besteht. In der Kombinationvon Allopurinol mit Azathioprin ist die Agranulozytose eine bekannte Komplikation. Daher muss bei Kombination mit Azathioprin die Allopurinol-Dosis auf 25% reduziert und die Therapie engmaschige kontrolliert werden. Bei der Therapie mit Febuxostat sind Leberwertveränderungen eine bekannte Nebenwirkung, sodass beschriebene Fälle einer akuten Lebererkrankung im Zusammenhang mit Febuxostat gesehen werden. Auch bei Allopurinol stellen akute Lebererkrankungen eine bekannte Komplikation dar. Für Allopurinol sind zahlreiche medikamentöse Interaktionen bekannt und beschrieben. Für Febuxostat hat sich im Rahmen dieser Arbeit ein verändertes Nebenwirkungsprofil bei Patienten mit Begleitmedikationen gezeigt. Vorsicht ist bei der Kombination von Febuxostat mit Azathioprin geboten. Eine Kombination von Allopurinol bzw. Febuxostat mit NSAR ist im Hinblick auf Nebenwirkungen unbedenklich, soweit im Einzelfall keine Kontraindikationen gegen NSAR vorliegen. In Kombination mit Hydrochlorothiazid ist bei Febuxostat anders als bei Allopurinol keine Dosisanpassung nötig. Ein vermehrtes Auftreten unerwünschter Ereignisse konnte hier nicht gezeigt werden. Daher ist eine Kombination von Febuxostat mit einem NSAR bzw. einem Thiazid auf Basis der ausgewerteten Publikationen als unbedenklich anzusehen. Bei Allopurinol ist in der Kombination mit Hydrochlorothiazid die Gefahr einer Hypersensitivitätsreaktion erhöht. Bei Kombination mit einem Urikosurikum sind bei Febuxostat keine schweren Nebenwirkungen beschrieben. Im Hinblick auf Nebenwirkungen bringt die Kombination von Febuxostat und einem Urikosurikum insgesamt keinen Vorteil gegenüber einer alleinigen Therapie mit Febuxostat. Die Kombination von Allopurinol mit Urikosurika ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Die vorliegende Auswertung der wissenschaftlichen Literatur ergab für Febuxostat im Vergleich zu Allopurinol ein vergleichsweise günstiges Nebenwirkungsprofl. Febuxostat ist daher eine moderne und sichere Alternative zur Therapie mit Allopurinol. Diese Ergebnisse lassen erwarten, dass die Substanz Febuxostat im klinischen Alltag in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird

Understanding the Contribution of Direct Use of Gas to New Zealand’s Future Energy Efficiency Objectives

A report produced for the Gas Association of New Zealand. Includes 2008 Addendu