A wide variety of biological phenomena can be modeled by the collective activity of a population of individual units. A common strategy for simulating such a system, the population density approach, is to take the macroscopic limit and update its population density function. However, in many cases, the coupling between the units and noise gives rise to complex behaviors challenging to existing population density approach methods. To address these challenges, we develop the asymmetric particle population density (APPD) method that efficiently and accurately simulates such populations consist of coupled elements. The APPD is well-suited for a parallel implementation. We compare the performance of the method against direct Monte-Carlo simulation and verify its accuracy by applying it to the well-studied Hodgkin-Huxley model, with a range of challenging scenarios. We find that our method can accurately reproduce complex macroscopic behaviors such as inhibitory coupling-induced clustering and noise-induced firing while being faster than the direct simulation.


翻译:各种生物现象可以通过个别单位人口的集体活动来模拟。模拟这种系统的共同战略,即人口密度法,是采用宏观限制并更新其人口密度功能。但是,在许多情况下,单位和噪音的结合产生了对现有的人口密度方法具有挑战性的复杂行为。为了应对这些挑战,我们开发了非对称粒子密度(APPD)方法,有效和准确地模拟这种群落包含各种要素。APPD非常适合平行实施。我们比较了这种方法的性能,与蒙泰-卡洛直接模拟的性能相比较,并通过将其应用到经过深思熟虑的Hodgkin-Huxley模型和一系列具有挑战性的情况来核实其准确性。我们发现,我们的方法可以准确地复制复杂的宏观现象,例如抑制性合并引起的聚群和噪音引发的发射,同时速度要快于直接模拟。

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