<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Comput. Neurosci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Computational Neuroscience</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Comput. Neurosci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1662-5188</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fncom.2014.00029</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Neuroscience</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research Article</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>The neuronal response at extended timescales: a linearized spiking input&#x02013;output relation</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Soudry</surname> <given-names>Daniel</given-names></name>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://community.frontiersin.org/people/u/8857"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Meir</surname> <given-names>Ron</given-names></name>
<uri xlink:href="http://community.frontiersin.org/people/u/3061"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff><institution>Laboratory for Network Biology Research, Department of Electrical Engineering</institution> <country>Technion, Haifa, Israel</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: David Hansel, University of Paris, France</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Maurizio Mattia, Istituto Superiore di Sanit&#x000E0;, Italy; Joaqu&#x000ED;n J. Torres, University of Granada, Spain</p></fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001"><p>&#x0002A;Correspondence: Daniel Soudry, Department of Statistics, Center for Theoretical Neuroscience, Columbia University, 1255 Amsterdam Avenue, New York, NY 10027, USA e-mail: <email>daniel.soudry&#x00040;gmail.com</email></p></fn>
<fn fn-type="other" id="fn002"><p>This article was submitted to the journal Frontiers in Computational Neuroscience.</p></fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>02</day>
<month>04</month>
<year>2014</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2014</year>
</pub-date>
<volume>8</volume>
<elocation-id>29</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>20</day>
<month>12</month>
<year>2013</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>24</day>
<month>02</month>
<year>2014</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2014 Soudry and Meir.</copyright-statement>
<copyright-year>2014</copyright-year>
<license license-type="open-access" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract><p>Many biological systems are modulated by unknown slow processes. This can severely hinder analysis &#x02013; especially in excitable neurons, which are highly non-linear and stochastic systems. We show the analysis simplifies considerably if the input matches the sparse &#x0201C;spiky&#x0201D; nature of the output. In this case, a linearized spiking Input&#x02013;Output (I/O) relation can be derived semi-analytically, relating input spike trains to output spikes based on known biophysical properties. Using this I/O relation we obtain closed-form expressions for all second order statistics (input &#x02013; internal state &#x02013; output correlations and spectra), construct optimal linear estimators for the neuronal response and internal state and perform parameter identification. These results are guaranteed to hold, for a general stochastic biophysical neuron model, with only a few assumptions (mainly, timescale separation). We numerically test the resulting expressions for various models, and show that they hold well, even in cases where our assumptions fail to hold. In a companion paper we demonstrate how this approach enables us to fit a biophysical neuron model so it reproduces experimentally observed temporal firing statistics on days-long experiments.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>conductance based neuron models</kwd>
<kwd>noise</kwd>
<kwd>ion channels</kwd>
<kwd>adaptation</kwd>
<kwd>power spectral density</kwd>
<kwd>linear response</kwd>
<kwd>system identification</kwd>
<kwd>analytical methods</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="8"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="243"/>
<ref-count count="65"/>
<page-count count="23"/>
<word-count count="14697"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="introduction" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Neurons are modeled biophysically using Conductance-Based Models (CBMs). In CBMs, the membrane time constant and the timescales of fast channel kinetics determine the timescale of Action Potential (AP) generation in the neuron. These are typically around 1&#x02013;20 ms. However, there are various modulating processes that affect the response on slower timescales. Many types of ion channels exist, and some change with a timescale as slow as 10 s (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Channelpedia</xref>), and possibly even minutes (Toib et al., <xref ref-type="bibr" rid="B60">1998</xref>). Additional new sub-cellular kinetic processes are being discovered at an explosive rate (Bean, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2007</xref>; Sj&#x000F6;str&#x000F6;m et al., <xref ref-type="bibr" rid="B54">2008</xref>; Debanne et al., <xref ref-type="bibr" rid="B13">2011</xref>). This variety is particularly large for very slow processes (Marom, <xref ref-type="bibr" rid="B40">2010</xref>).</p>
<p>For example, ion channels are known to be regulated over the course of long timescales (Levitan, <xref ref-type="bibr" rid="B37">1994</xref>; Staub et al., <xref ref-type="bibr" rid="B59">1997</xref>; Jugloff, <xref ref-type="bibr" rid="B30">2000</xref>; Monjaraz et al., <xref ref-type="bibr" rid="B45">2000</xref>), which could cause changes in ion channel numbers, conductances and kinetics. Also, the ionic concentrations in the cell depend on the activity of the ionic pumps, which can be affected by the metabolism of the network (Silver et al., <xref ref-type="bibr" rid="B53">1997</xref>; Kasischke et al., <xref ref-type="bibr" rid="B32">2004</xref>). Finally, the cellular neurites (De Paola et al., <xref ref-type="bibr" rid="B12">2006</xref>; Nishiyama et al., <xref ref-type="bibr" rid="B47">2007</xref>) and even the spike initiation region (Grubb and Burrone, <xref ref-type="bibr" rid="B25">2010</xref>) can shift their location with time. All these changes can have a large effect on excitability.</p>
<p>Therefore, current CBMs can be considered as strictly accurate only below a certain timescale, since they do not incorporate most of these slow processes. A main reason for this &#x0201C;neglect&#x0201D; is that such slow processes are not well characterized. This is especially problematic since neurons are excitable, so their dynamics is far from equilibrium, highly non-linear and contain feedback. Due to the large number of processes which are unknown or lacking known parameters, it would be hard to simulate or analyze such models. Therefore, it may be hard to quantitatively predict how adding and tuning slow processes in the model would affect the dynamics at longer timescales.</p>
<p>In order to allow CBMs with many slow process to be fitted and analyzed, it is desirable to have general expressions that describe their Input&#x02013;Output (I/O) relation explicitly, based on biophysical parameters. In a previous paper (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>), we found that this becomes possible if we use (experimentally relevant Elul and Adey, <xref ref-type="bibr" rid="B15">1966</xref>; Kaplan et al., <xref ref-type="bibr" rid="B31">1996</xref>; De Col et al., <xref ref-type="bibr" rid="B11">2008</xref>; Gal et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>; Goldwyn et al., <xref ref-type="bibr" rid="B24">2012</xref>) sparse spike inputs, similar to the typical output of the neuron (Figures <xref ref-type="fig" rid="F1">1A,B</xref>). In this case, we derived semi-analytically<xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref> a discrete piecewise linear map describing the neuronal dynamics between stimulation spikes, for a general <italic>deterministic</italic> neuron model with a few assumptions (mainly, a timescale separation assumption). Based on this reduced map, we were able to derive expressions for the &#x0201C;mean&#x0201D; behavior of the neuron (e.g., firing modes, firing rate and mean latency).</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p><bold>Schematic summary. (A)</bold> Aim: find the I/O relation between inter-stimulus intervals (<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>) and Action Potential (AP) occurrences (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>) &#x02013; for a <italic>general</italic> biophysical neuron model (Equations 1&#x02013;3). <bold>(B)</bold> An AP &#x0201C;occurred&#x0201D; if the voltage <italic>V</italic> crossed a threshold <italic>V</italic><sub>th</sub> following the (sparse) stimulus, with <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226B; &#x003C4;<sub>AP</sub>. <bold>(C)</bold> Result: Biophysical neuron model reduced to a simple linear system with feedback (Equations 11, 12), and biophysically meaningful parameters (<bold>F,d,a</bold> and <bold>w</bold>).</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0001.tif"/>
</fig>
<p>In this paper, we find that stronger and more general analytical results can be obtained if we take into account the stochasticity of the neuron &#x02013; arising from ion channel noise<xref ref-type="fn" rid="fn0002"><sup>2</sup></xref> (Neher and Sakmann, <xref ref-type="bibr" rid="B46">1976</xref>; Hille, <xref ref-type="bibr" rid="B26">2001</xref>). Due to the presence of this noise, the discrete map describing the neuronal dynamics is &#x0201C;smoothed out,&#x0201D; and can be linearized. This linearized map constitutes a concise description for the neuronal I/O (Equations 11, 12) based on biophysically meaningful parameters. This I/O is well described by an &#x0201C;engineering-style&#x0201D; block diagram with feedback (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1C</xref>), where the input is the process of stimulation intervals and the output is the AP response (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1A</xref>). Note that the response is affected both by internal noise and by the input. Beyond conceptual lucidity, such a linear I/O allows the utilization of well known statistical tools to derive all second order statistics, to construct linear optimal estimators and to perform parameter identification. These results hold numerically (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>), even sometimes when our assumptions break down (Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>).</p>
<p>In our previous paper, Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>), we used our results to model recent experiments (Gal et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>) where synaptically isolated individual neurons, from rat cortical culture, were stimulated with extra-cellular sparse current pulses for an unprecedented duration of days. Our results enabled us to explain the &#x0201C;mean&#x0201D; response of these neurons. However, the second order-statistics in the experiment seem particularly puzzling. The neurons exhibited 1/<italic>f</italic><sup>&#x003B1;</sup> statistics (Keshner, <xref ref-type="bibr" rid="B33">1982</xref>), responding in a complex and irregular manner from seconds to days. In a companion paper (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B58">2014</xref>), we demonstrate the utility of our new results. These results allow us to reproduce and analyze the origins of this 1/<italic>f</italic><sup>&#x003B1;</sup> on very long timescales.</p>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s2">
<title>2. Results</title>
<p>This section described our main results in outline. The details of each sub-section here appear in the corresponding sub-section in section 4. For readers who do not wish to go through the detailed derivations, the present section is self-contained. Readers who do wish to follow the mathematical derivations, should first read section 4, where, for convenience, each subsection (except for the last one) can be read independently. In our notation &#x02329;&#x000B7;&#x0232A; is an ensemble average, <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msqrt style="color:black"><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, a non-capital boldfaced letter <bold>x</bold> &#x0225C; (<italic>x</italic><sub>1</sub>, &#x02026;, <italic>x</italic><sub><italic>n</italic></sub>)<sup>&#x022A4;</sup> is a column vector (where (&#x000B7;)<sup>&#x022A4;</sup> denotes transpose), and a boldfaced capital letter <bold>X</bold> is a matrix (with components <italic>X</italic><sub><italic>mn</italic></sub>).</p>
<sec>
<title>2.1. Full model</title>
<p>The voltage dynamics of an isopotential neuron are determined by ion channels, protein pores which change their conformations stochastically with voltage-dependent rates (Hille, <xref ref-type="bibr" rid="B26">2001</xref>). At the population level, such dynamics are generically described by Fox and Lu (<xref ref-type="bibr" rid="B18">1994</xref>), Goldwyn et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B23">2011</xref>), and Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) a CBM</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M2"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with <bold>voltage</bold> <italic>V</italic>, stimulation current <italic>I</italic>(<italic>t</italic>), <bold>rapid</bold> variables <bold>r</bold> (e.g., <italic>m, n, h</italic> in the Hodgkin&#x02013;Huxley (HH) model Hodgkin and Huxley, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1952</xref>), <bold>slow</bold> &#x0201C;excitability&#x0201D; variables <bold>s</bold> (e.g., slow sodium inactivation Chandler and Meves, <xref ref-type="bibr" rid="B7">1970</xref>), rate matrices <bold>A</bold><sub><italic>r/s</italic></sub>, white noise processes &#x003BE;<sub><italic>r/s</italic></sub> (with zero mean and unit variance), and matrices <bold>B</bold><sub><italic>r/s</italic></sub> which can be written explicitly using the rates and ion channel numbers (Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>) (<bold>D</bold> &#x0003D; <bold>BB</bold><sup>&#x022A4;</sup> is the diffusion matrix Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>). For simplicity, we assumed that <bold>r</bold> and <bold>s</bold> are not coupled directly, but this is non-essential (Contou-Carrere, <xref ref-type="bibr" rid="B10">2011</xref>; Wainrib et al., <xref ref-type="bibr" rid="B64">2011</xref>). The parameter space can be constrained (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>), since we consider here only <italic>excitable</italic>, non-oscillatory neurons which do not fire spontaneously<xref ref-type="fn" rid="fn0003"><sup>3</sup></xref> and which have a single resting state &#x02013; as is common for cortical cells, e.g., Gal et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>).</p>
<p>Since the components of <bold>r</bold> and <bold>s</bold> usually represent fractions, in some cases it is more convenient to use the normalization constraint (i.e., that fractions sum to one), and reduce the dimensions of <bold>r, s</bold>, and &#x003BE;<sub><italic>r/s</italic></sub>. After this reduction, the form of Equations (1&#x02013;3) changes to</p>
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M7"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where all the variables and parameters have been redefined (with their size decreased). Note that we have slightly abused notation by using the same symbols in Equations (4&#x02013;6) and in Equations (1&#x02013;3). The specific set of equations used will always be stated. We call Equations (4&#x02013;6) the &#x0201C;compressed form&#x0201D; of the CBM.</p>
<p>Such biophysical neuronal models (either Equations 1&#x02013;3 or 4&#x02013;6) are generally complex and non-linear, containing many variables and unknown parameters (sometimes ranging in the hundreds Koch and Segev, <xref ref-type="bibr" rid="B34">1989</xref>; Roth and H&#x000E4;usser, <xref ref-type="bibr" rid="B51">2001</xref>), not all of which can be identified (Huys et al., <xref ref-type="bibr" rid="B28">2006</xref>). Therefore, such models are notoriously difficult to tune, highly susceptible to over-fitting and computationally expensive (Migliore et al., <xref ref-type="bibr" rid="B42">2006</xref>; Gerstner and Naud, <xref ref-type="bibr" rid="B22">2009</xref>; Druckmann et al., <xref ref-type="bibr" rid="B14">2011</xref>). Also, the high degree of non-linearity usually prevents exact mathematical analysis of such models at their full level of complexity (Ermentrout and Terman, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2010</xref>). However, much of the complexity in such models can be overcome under well defined and experimentally relevant settings (Elul and Adey, <xref ref-type="bibr" rid="B15">1966</xref>; Kaplan et al., <xref ref-type="bibr" rid="B31">1996</xref>; De Col et al., <xref ref-type="bibr" rid="B11">2008</xref>; Gal et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>; Goldwyn et al., <xref ref-type="bibr" rid="B24">2012</xref>), if we use sparse inputs, similar in nature to the spikes commonly produced by the neuron.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.2. Model reduction</title>
<p>We consider a stimulation setting motivated by the experiments described in Gal et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>) and further elaborated on in section 3. Specifically, suppose <italic>I</italic>(<italic>t</italic>) consists of a train of pulses arriving at times {<italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>} (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1A</xref>, <italic>top</italic>), so <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub> &#x02212; <italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226B; &#x003C4;<sub>AP</sub> with &#x003C4;<sub>AP</sub> being the timescale of an AP (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref>). Our aim is to describe the AP occurrences <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, where <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; 1 if an AP occurred immediately after the <italic>m</italic>-th stimulation, and 0 otherwise (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1A</xref>, <italic>bottom</italic>). Recall again that we assume the neuron does not generate APs unless stimulated (as observed in Gal et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>).</p>
<p>In this section we &#x0201C;average out&#x0201D; Equations (1&#x02013;3) using a semi-analytical method similar to that in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). To do so, we need to integrate Equations (1&#x02013;3) between <italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub> and <italic>t</italic><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub>. Since <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226B; &#x003C4;<sub>AP</sub>, the rapid AP generation dynamics of (<italic>V</italic>, <bold>r</bold>) relax to a steady state before <italic>t</italic><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub>. Therefore, the neuron AP &#x0201C;remembers&#x0201D; any history before <italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub> only through <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; <bold>s</bold>(<italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>). Given <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>, the response of the fast variables (<italic>V</italic>, <bold>r</bold>) to the <italic>m</italic>-th stimulation spike will determine the probability to generate an AP. This probability,</p>
<disp-formula id="E7"><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>collapses all the relevant information from Equations (1, 2), and can be found numerically from the pulse response of Equations (1, 2) with <bold>s</bold> held fixed (section 4.2.4).</p>
<p>In order to integrate the remaining Equation (3), we define <italic>X</italic><sub>&#x0002B;</sub>, <italic>X</italic><sub>&#x02212;</sub> and <italic>X</italic><sub>0</sub> to be the averages of a quantity <italic>X</italic><sub><italic>s</italic></sub> during an AP response, a failed AP response and rest, respectively <xref ref-type="fn" rid="fn0004"><sup>4</sup></xref>. Also, we denote</p>
<disp-formula id="E8"><label>(7)</label><mml:math id="M9"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi></mml:mover><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>as the steady state mean value of <italic>X</italic><sub><italic>s</italic></sub>. For analytical simplicity we assume<xref ref-type="fn" rid="fn0005"><sup>5</sup></xref> <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold>. We obtain, to first order</p>
<disp-formula id="E9"><label>(8)</label><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub> is a white noise process with zero mean and variance <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub><bold>D</bold> (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>). For the compressed form (Equations 4&#x02013;6) we have instead</p>
<disp-formula id="E10"><label>(9)</label><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Note that such a simplified discrete time map, which describes the excitability dynamics of the neuron, has far fewer parameters than the full model, since it is written explicitly only using the averaged microscopic rates of <bold>s</bold> (through <bold>A</bold> and <bold>D</bold>), population sizes (through <bold>D</bold>), the probability to generate an AP given <bold>s</bold>, <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>), and the relevant timescales. This effective model exposes the large degeneracy in the parameters of the full model and leads to significantly reduced simulation times and mathematical tractability. Notably, the dynamics of the state <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> (Equation 8) depends on the input <italic>T<sub>m</sub> and</italic> the output <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x02013; and this feedback affects all of our following results.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.3. Linearization</title>
<p>In this section we exploit the intrinsic ion channel noise to linearize the neuronal dynamics, rendering it more tractable than the (less realistic) noiseless case (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). Suppose that the inter-stimulus intervals {<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>} have stationary statistics with mean <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> so that &#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0226A; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> with high probability. Since <bold>s</bold> is slow and AP generation is rather noisy in this regime (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) (so <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>) is slowly varying), we assume that a stable excitability fixed point <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> exists (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>). Therefore, the perturbations <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are small and we can linearize</p>
<disp-formula id="E11"><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p><bold>Schematic explanation of linearization</bold>. In a deterministic neuron, an AP will be generated in response to stimulation if and only if the neuronal excitability (here, <bold>s</bold>) is above a certain threshold <bold>(A)</bold>. This generates discontinuous dynamics in the neuronal excitability <bold>(B)</bold>, see Equations 7, 8). In a stochastic neuron, the response probability is a smooth function of <bold>s (C)</bold>. In turn, this &#x0201C;smooths&#x0201D; the dynamics <bold>(D)</bold>. Note that if the noise is sufficiently high (as is true in many cases, for biophysically realistic levels of noise), then this generates a stable fixed point <bold>s</bold><sup>&#x0002A;</sup> &#x02013; which gives the mean response probability <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, and around which the dynamics can be linearized (yellow region).</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0002.tif"/>
</fig>
<p>Denoting <italic>X</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; <italic>X</italic>(<italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>), the mean AP firing rate can be found self consistently from the location of the fixed point <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>,</p>
<disp-formula id="E12"><label>(10)</label><mml:math id="M14"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> depends on <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> through <bold>A</bold><sub>&#x0002A;</sub><bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 0, or <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; <bold>A</bold><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub><bold>b</bold><sub>&#x0002A;</sub> in the compressed form.</p>
<p>The perturbations <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> around the fixed point <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> are described by the linear system</p>
<disp-formula id="E13"><label>(11)</label><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E14"><label>(12)</label><mml:math id="M17"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02329;</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>F</bold> &#x0225C; <bold>I</bold> &#x0002B; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><bold>A</bold><sub>&#x0002A;</sub>, &#x02329;<bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub><bold>n</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><bold>D</bold><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub> is a (<italic>non</italic>-Gaussian) white noise process, &#x02329;<italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; &#x02329;<italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub><bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; 0, &#x003C3;<sup>2</sup><sub><italic>e</italic></sub> &#x0225C; &#x02329;<italic>e</italic><sup>2</sup><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> (1 &#x02212; <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>), <bold>d</bold> &#x0225C; <bold>A</bold><sub>0</sub><bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> and <bold>a</bold> &#x0225C; &#x003C4;<sub>AP</sub> (<bold>A</bold><sub>&#x0002B;</sub> &#x02212; <bold>A</bold><sub>&#x02212;</sub>) <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>. If we use the compressed form instead, then these results remain valid, except we need to re-define <bold>d</bold> &#x0225C; <bold>A</bold><sub>0</sub><bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> &#x02212; <bold>b</bold><sub>0</sub> and <bold>a</bold> &#x0225C; &#x003C4;<sub>AP</sub>[(<bold>A</bold><sub>&#x0002B;</sub> &#x02212; <bold>A</bold><sub>&#x02212;</sub>) <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> &#x02212; (<bold>b</bold><sub>&#x0002B;</sub> &#x02212; <bold>b</bold><sub>&#x02212;</sub>)].</p>
<p>The <italic>linear</italic> I/O for the fluctuations in Equations (11, 12), which contains feedback from the &#x0201C;output&#x0201D; <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> to the state variable <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1C</xref>), can be very helpful mathematically and its parameters are directly related to biophysical quantities.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.4. Linear systems analysis</title>
<p>Using standard tools, this formulation makes it now possible to construct optimal linear estimators for <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> and <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> (Anderson and Moore, <xref ref-type="bibr" rid="B1">1979</xref>), perform parameter identification (Lejung, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1999</xref>), and find all second order statistics in the system (Papoulis and Pillai, <xref ref-type="bibr" rid="B49">1965</xref>; Gardiner, <xref ref-type="bibr" rid="B21">2004</xref>), such as correlations or Power Spectral Densities (PSD). For example, for <italic>f</italic> &#x0226A; <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub>, the PSD of the output is</p>
<disp-formula id="E15"><label>(13)</label><mml:math id="M22"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E16"><label>(14)</label><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Similarly, the PSD of the state variables is</p>
<disp-formula id="E17"><label>(15)</label><mml:math id="M24"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and the input&#x02013;output cross-PSD is</p>
<disp-formula id="E18"><label>(16)</label><mml:math id="M25"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Again, note the large degeneracy here &#x02013; many different sets of parameters will generate the same PSD. Using similar methods, the PSDs of various response features, such as the AP latency or amplitude, can also be derived (Equation 124).</p>
<p>Finally, we note Equations (11) and (12) can be re-arranged as a <italic>direct</italic> I/O relation. First, we define the filters (transfer functions)</p>
<disp-formula id="E19"><label>(17)</label><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E20"><label>(18)</label><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>K</bold> &#x0003D; <bold>a</bold> &#x0002B; <bold>FPw</bold>&#x003C3;<sup>&#x02212;2</sup><sub><italic>v</italic></sub> and &#x003C3;<sup>2</sup><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; <bold>w</bold><sup>&#x022A4;</sup> <bold>Pw</bold> &#x0002B; &#x003C3;<sup>2</sup><sub><italic>e</italic></sub>,, with <bold>P</bold> being the solution of</p>
<disp-formula id="E21"><label>(19)</label><mml:math id="M28"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Using these filters, we obtain, in the frequency domain,</p>
<disp-formula id="E22"><label>(20)</label><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">f</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">f</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>z</italic>(<italic>f</italic>) are the Fourier transforms of <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>z</italic><sub><italic>m</italic></sub>, respectively, with <italic>z</italic><sub><italic>m</italic></sub> being a white noise process with zero mean and unit variance. Notably, these transfer functions can be identified from the spiking input&#x02013;output of the neuron <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, without access to the underlying dynamics or biophysical parameters. Specifically, Equation (20) has the form of an ARMAx(<italic>M, M, M</italic>) model<xref ref-type="fn" rid="fn0006"><sup>6</sup></xref> (Lejung, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1999</xref>) (recall <italic>M</italic> is the dimension of <bold>s</bold>), which can be estimated using standard tools (e.g., the system identification toolbox in Matlab).</p>
</sec>
<sec>
<title>2.5. Numerical tests</title>
<p>As we argued so far, a main asset of the present approach is its applicability to a broad range of models of various degrees of complexity and realism. Recall that our three assumptions are</p>
<list list-type="order">
<list-item><p>&#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0226A; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> (temporally sparse input).</p></list-item>
<list-item><p><italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> (timescale separation).</p></list-item>
<list-item><p>A stable excitability fixed point <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> exists, (&#x0201C;noisy&#x0201D; neuron).</p></list-item>
</list>
<p>In this section we will demonstrate that our analytical approximations agree very well with the numerical solution of Equations (1&#x02013;3), even in some cases where the assumptions 2 and 3 do not hold. Therefore, these assumptions are sufficient, but not necessary.</p>
<sec>
<title>2.5.1. The HHS model</title>
<p>First, in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> we tested our results on the HH model with Slow sodium inactivation. This &#x0201C;HHS&#x0201D; model (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>, and see section 4.5.1 for parameter values) augments the classic HH model (Hodgkin and Huxley, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1952</xref>) with an additional slow inactivation process of the sodium conductance (Chandler and Meves, <xref ref-type="bibr" rid="B7">1970</xref>; Fleidervish et al., <xref ref-type="bibr" rid="B17">1996</xref>). The HHS model includes the uncoupled stochastic Hodgkin&#x02013;Huxley (HH) model equations (Fox and Lu, <xref ref-type="bibr" rid="B18">1994</xref>), and is written in the compressed formulation (Equations 4&#x02013;6)</p>
<disp-formula id="E23"><label>(21)</label><mml:math id="M33"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>C</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E24"><label>(22)</label><mml:math id="M34"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent='true'><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>r</italic> &#x0003D; <italic>m, n</italic> and <italic>h</italic>, with the additional kinetic equation for slow sodium inactivation</p>
<disp-formula id="E25"><label>(23)</label><mml:math id="M35"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>V</italic> is the membrane voltage, <italic>I</italic>(<italic>t</italic>) is the input current, <italic>m, n</italic> and <italic>h</italic> are ion channel &#x0201C;gating variables,&#x0201D; &#x003B1;<sub><italic>r</italic></sub>(<italic>V</italic>), &#x003B2;<sub><italic>r</italic></sub>(<italic>V</italic>), &#x003B4;(<italic>V</italic>), and &#x003B3;(<italic>V</italic>) are the voltage dependent kinetic rates of these gating variables, &#x003D5; is an auxiliary dimensionless number, <italic>C</italic> is the membrane&#x00027;s capacitance, <italic>E</italic><sub><italic>K</italic></sub>, <italic>E</italic><sub><italic>Na</italic></sub> and <italic>E</italic><sub><italic>L</italic></sub> are ionic reversal potentials, <overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>K</italic></sub>, <overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>Na</italic></sub> and <overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>L</italic></sub> are ionic conductances and <italic>N</italic> is the number of ion channels. Note that in this model &#x003C4;<sub><italic>s</italic></sub> is between 20 s (at rest) and 40 s (during an AP).</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p><bold>Comparing the mathematical results with the numerical simulation of the full model (Equations 1&#x02013;3) for the stochastic HHS model (section 4.5.1)</bold>. <bold>(A)</bold> Firing probability <italic>p</italic><sub><bold>&#x0002A;</bold></sub>(<italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub><bold>&#x0002A;</bold></sub>) (Equation 10) for different currents (<italic>I</italic><sub>stim</sub> &#x0003D; 7.5, 7.7, 7.9, 8.1, 8.3 &#x003BC;A from bottom to top). <bold>(B)</bold> The PSDs <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) and <italic>S</italic><sub><italic>s</italic></sub>(<italic>f</italic>). &#x0201C;Sim&#x0201D; is a simulation of the full model, &#x0201C;Map&#x0201D; is a (10<sup>4</sup> faster) simulation of Equation (8) together with <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>), while &#x0201C;Approx&#x0201D; refers to the analytical expressions (Equations 13&#x02013;15). &#x0201C;Ident&#x0201D; is the PSD <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) of the linear system identified from the spiking data. Note the high/low-pass filter shapes of <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) and <italic>S</italic><sub><italic>s</italic></sub>(<italic>f</italic>), respectively. <bold>(C)</bold> Optimal linear estimation of <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. <bold>(D)</bold> Amplitude and phase of the cross-spectrum <italic>S</italic><sub><italic>YT</italic></sub>(<italic>f</italic>) for Poisson stimulation (Equations 16). Note that the frequency range was cut due to spectral estimation noise (see Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref>). Parameters: <italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 7.9 &#x003BC;A and <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 50 ms in <bold>(B&#x02013;D)</bold>, and also stimulation is periodical in <bold>(A&#x02013;C)</bold>. Note the low-pass filter shapes of <italic>S</italic><sub><italic>YT</italic></sub>(<italic>f</italic>).</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0003.tif"/>
</fig>
<p>In Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3A</xref> we show that through Equation (10) we can accurately calculate <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, the mean probability to generate an AP (so <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub><italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub> is the firing rate of the neuron). In Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3B</xref> we demonstrate both the analytical expression (Equations 13, 15), or a simulation of the reduced model (Equation 8), will give the PSDs <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub> (<italic>f</italic>) or <italic>S</italic><sub><italic>s</italic></sub> (<italic>f</italic>) of the full model (Equations 1&#x02013;3). In Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3D</xref> we do the same for the analytical expression (Equation 16) of the Cross-PSD <italic>S</italic><sub><italic>YT</italic></sub> (<italic>f</italic>). In Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3C</xref> we show that we can construct a linear optimal filter for the internal state <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, given <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> quite well, with low mean square error (section 4.4.4). Finally, back in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3B</xref>, <italic>top</italic>, we infer the linear model parameters from the spike output using system identification tools [here, with ARMAx(1, 1, 1)], and present the PSD of the identified model (&#x0201C;Ident&#x0201D;). Since <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub> (<italic>f</italic>) &#x0003D; |<italic>H</italic><sub>int</sub> (<italic>f</italic>)|<sup>2</sup> (see Equation 111) for periodical input (in which <inline-formula><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) this allows us to confirm that the linear model was identified. As can be seen, the identified filter matches well with that of the linear system.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.5.2. Testing the limit of our assumptions</title>
<p>Next, we demonstrate that our analytical expressions hold also for various other models. Specifically, in the following scenarios: (1) when the kinetics of the neuron are extended to arbitrarily slow timescales, (2) when the assumptions 2 and 3 break down, (3) when the rapid and slow kinetics are coupled, (4) when &#x0201C;physiological&#x0201D; synaptic inputs are used. These results are presented in Figures <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>, with specific model parameters given in section 4.5.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p><bold>Comparing mathematical results with full model simulation when the assumptions fail to hold</bold>. In the HHSIP model (HHS with potassium inactivation) we plot <bold>(A)</bold> <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>(<italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub>) for different currents (<italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 7.5, 7.7, 7.9, 8.1, 8.3&#x003BC;A from bottom to top). <bold>(B)</bold> <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) for two values of <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>. As before, &#x0201C;Sim&#x0201D; is a simulation of the full model, &#x0201C;Approx&#x0201D; is the analytical approximation, and &#x0201C;Ident&#x0201D; is the PSD <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) of the linear system identified from the spiking data. Upper figure shows the case when <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x02248; 0.5&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> so the timescale separation assumption breaks down. In the lower figure the parameters are close to a Hopf bifurcation where a limit cycle is formed so the fixed point assumption breaks down, so the estimation of the limit cycle frequency component is less accurate. <bold>(C)</bold> The estimation of <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub> &#x02248; 30 Hz is even better than in the HHS case. Similarly to <bold>(A&#x02013;C)</bold> we plot the results of the HHMSIP model (HHSIP with many additional slow sodium inactivation kinetics) in <bold>(D&#x02013;F)</bold>, which has considerably more noise in the slow kinetics, and so even larger fluctuations (which further invalidates the fixed point assumption). See section 4.5 for various model details.</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p><bold>Comparing mathematical results (green) with full model simulation (blue) for various models. (A)</bold> Coupled HHS (HHS coupled slow and rapid kinetics) <bold>(B)</bold> HHMS (HHS with many additional slow sodium inactivation kinetics) <bold>(C)</bold> HHSTM (HHS with a synapse) <bold>(D)</bold> Multiplicative HHMS (variant of HHMS). As before, &#x0201C;Sim&#x0201D; is a simulation of the full model, &#x0201C;Approx&#x0201D; is the analytical approximation, and &#x0201C;Ident&#x0201D; is the PSD <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) of the linear system identified from the spiking data. See section 4.5 for various model details.</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0005.tif"/>
</fig>
<p>First, we tested whether or not the model can be extended to arbitrarily slow timescales. We added to the HHS model four types of slow sodium inactivation processes with increasingly slower kinetics and smaller channel numbers. In the first case, those processes were added additively (as different currents), so <italic>s</italic> was replaced with &#x02211;<sub><italic>i</italic></sub> <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> in the voltage equation (Equation 21). This model was denoted &#x0201C;HHMS&#x0201D; (HH with Many Sodium slow inactivation processes, section 4.5.4). In the second case, those processes were added in a multiplicative manner (as different processes affecting the same channel, in the uncoupled approximation), so <italic>s</italic> was replaced with &#x0220F;<sub><italic>i</italic></sub> <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> in the voltage equation (Equation 21). We denote this model as &#x0201C;Multiplicative HHMS&#x0201D; (section 4.5.5). In both cases, our analytical approximations seemed to hold quite well. For example, the approximated <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub> (<italic>f</italic>) (Equation 13) corresponded rather well with the numerical simulation of the full model (Figures <xref ref-type="fig" rid="F5">5B,D</xref>, respectively).</p>
<p>Next, to test the limits of our assumptions we extended the HHS model to the HHSIP model (from Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>, see section 4.5.6) and added a potassium inactivation current which had faster kinetics (so &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> &#x02248; 5 Hz). So if <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 10 Hz, we get <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x02248; 0.5&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold>, so the timescale separation assumption 2 is not strictly valid here. Also, for certain parameter values we get a limit cycle in the dynamics of <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so the fixed point assumption 3 fails. However, it seems that our approximations still follow the numerical simulation of the full model: for <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> at various stimulation frequencies <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub> and currents <italic>I</italic><sub>0</sub> (Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4A</xref>), for <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub> (<italic>f</italic>) at <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 10 Hz when assumption 2 breaks down (Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4B</xref>, <italic>top</italic>), for <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub> (<italic>f</italic>) at <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 30 Hz when assumption 3 breaks down (near a Hopf bifurcation) and a limit cycle begins to form (see Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4B</xref>, <italic>bottom</italic>), and for state estimation of <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using a linear optimal filter, again at <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 10 Hz (Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4C</xref>).</p>
<p>The only discrepancy seemed to appear in the limit cycle case, where the frequency of the limit cycle &#x0201C;sharpens&#x0201D; the peak in <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub> (<italic>f</italic>) (Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4B</xref>, <italic>bottom</italic>). This may suggest that, in this case, the perturbations of the system near the limit cycle could be linearized, and that the eigenvalues of that linearized system might be related to the eigenvalues of the linearized system around the (now unstable) fixed point <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>. More generally, the results so far indicate that even if our assumptions are inaccurate, it is possible that the resulting error will not accumulate and remain small &#x02013; in comparison with the intrinsic noise in the model.</p>
<p>Next, to challenge the approximation even more, we added to the HHSIP model four types of sodium currents with increasingly slower kinetics and fewer channels, similarly to the HHMS model (so this is the &#x0201C;HHMSIP&#x0201D; model, section 4.5.7). This significantly increased the variance of the dynamic noise <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>, rendering the dynamics more &#x0201C;noisy.&#x0201D; These random fluctuations in <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> (Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4E</xref>) are of similar magnitude to the width of the threshold (non-saturated) region in <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>) (see Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>). This renders the fixed point assumption 3 inaccurate, since now the linear approximation <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">p</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> breaks down most of the time. However, even in this case, the approximations seem to hold quite well with simulations of the full neuronal model (Figures <xref ref-type="fig" rid="F4">4D&#x02013;F</xref>).</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p><bold>Fitting of <bold><italic>p</italic></bold><bold><sub>AP</sub></bold>(<bold><italic>s</italic></bold>) <bold>&#x0003D;</bold> &#x003A6;((<bold><italic>s</italic></bold> &#x02212; <bold><italic>a</italic></bold>)/<bold><italic>b</italic></bold>) in the HHS model. (A)</bold> Fitting of <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<italic>s</italic>) for various values of <italic>I</italic><sub>0</sub>. <bold>(B)</bold> Fitting shows that <italic>a</italic> is linearly decreasing in <italic>I</italic><sub>0</sub>. <bold>(C)</bold> Fitting of <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<italic>s</italic>) for various values of <italic>N</italic>. <bold>(D)</bold> Fitting shows that <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">b</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0221D;</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn><mml:mo mathcolor="black">/</mml:mo><mml:msqrt style="color:black"><mml:mi mathcolor="black">N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0006.tif"/>
</fig>
<p>In Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5A</xref> we used a coupled version of the HHS model (&#x0201C;coupled HHS&#x0201D; model, section 4.5.2), in which the equations for <bold>r</bold> and <bold>s</bold> in the full model are tangled together, and not separated as we assumed in Equations (2, 3). Even in this case, our approximations seemed to hold well.</p>
<p>Finally, in Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5C</xref>, we extend the HHS model so that the stimulations are not given directly, but through a synapse. We used the biophysical Tsodyks&#x02013;Markram model (Tsodyks and Markram, <xref ref-type="bibr" rid="B61">1997</xref>) of a synapse with short-term depression, with added stochasticity (&#x0201C;HHSTM&#x0201D; model, section 4.5.3). This also seemed to work well.</p>
<p>In all simulation we also added the PSD of the linear model identified from the spike output (&#x0201C;Ident.&#x0201D;), to show that it can be estimated reasonably well. Note that the performance at the lowest frequencies seems to be significantly worse when they contain relatively high power. This is not surprising since it is typically harder to estimate model parameters, when the data has such (1/<italic>f</italic><sup>&#x003B1;</sup>) PSD shape &#x02013; which indicates long-term correlations (Beran, <xref ref-type="bibr" rid="B4">1992</xref>).</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s3">
<title>3. Discussion</title>
<p>In this work we found that under a temporally sparse (&#x0201C;spike-like&#x0201D;) stimulation regime (Figures <xref ref-type="fig" rid="F1">1A,B</xref>) we can perform accurate semi-analytical linearization of the spiking input&#x02013;output relation of a CBM (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1C</xref>), while retaining biophysical interpretability of the parameters (e.g., Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>). This linearization considerably reduces model complexity and parameter degeneracy, and enables the use of standard analysis and estimation tools. Importantly, this method is rather general, since it can be applied to any stochastic CBM, with only a few assumptions.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p><bold>The averaged kinetic rates</bold>. <bold>Left</bold>: The averaged rates demonstrated for three common kinetic rates &#x003B3;(<italic>V</italic>) with sigmoidal shapes. <bold>Right</bold>: The voltage threshold of the sigmoid determines whether the process is sensitive to APs (the output), stimulation pulse (the input), or neither. Note that a similar classification of biophysical processes affecting excitability was previously suggested inWallach (<xref ref-type="bibr" rid="B65">2012</xref>, Figure 3.1).</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0007.tif"/>
</fig>
<sec>
<title>3.1. Connection to previous work</title>
<p>To the best of our knowledge, such results are novel, as no previous work examined analytically the response of general stochastic CBMs to temporally sparse input for extended durations. However, the connection between sparse inputs and slow timescales has been previously made. It was previously suggested (Linaro et al., <xref ref-type="bibr" rid="B39">2011</xref>) that sparse inputs could be used to identify neuronal parameters in a network of integrate and fire neurons with spike frequency adaptation. Interestingly, using different methods we reach a qualitatively similar conclusion here, though not in a network setting, and for a different class of neuron models.</p>
<p>Additionally, in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) we modeled neurons under <italic>periodical</italic> stimulation using <italic>deterministic</italic> CBMs with slow kinetics, which are completely <italic>uncoupled</italic> from each other, and slower than the stimulation rate. Using a reduction scheme similar in nature to that described here, we were able to describe the deterministic CBM&#x00027;s excitability and response using a discrete-time map &#x02013; which &#x0201C;samples&#x0201D; the neuronal state at each stimulation. Analyzing this map, we obtained analytical results describing the neuronal activation modes, spike latency dynamics, mean firing rate and short-time firing patterns. Stochastic CBMs were then examined numerically, and were shown to lead to qualitatively different responses, which are more similar to the experimentally observed responses.</p>
<p>The current work, therefore, generalizes this previous work. Here, we analyze the general case of <italic>stochastic</italic> CBMs, under <italic>general</italic> sparse stimulation patterns and with <italic>coupled</italic> slow kinetic dynamics. Therefore, the framework in the previous work (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) could be considered as a special case of this work, in which there is an infinite number of ion channels (<italic>N</italic> &#x02192; &#x0221E;, so <bold>B</bold><sub><italic>r/s</italic></sub> &#x0003D; <bold>D</bold><sub><italic>r/s</italic></sub> &#x0003D; 0), <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> (so <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and <bold>A</bold><sub><italic>s</italic></sub> (<italic>V</italic>) (the rate matrix) is a diagonal matrix. In the current work we similarly show that, in the generalized framework, the CBM&#x00027;s excitability and responses can be succinctly described using a discrete-time map. It is then straightforward to derive results paralleling those in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) in this more general setting, such as the mean firing rate (Equation 10).</p>
</sec>
<sec>
<title>3.2. Theoretical novelty</title>
<p>However, the main novelty lies in our additional results, that could not be derived in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). Specifically, due to the presence of noise, we were able to linearize the map&#x00027;s dynamics, and derive an explicit input&#x02013;output relation. Such a linearization became possible because we made the (unusual) choice that the &#x0201C;input&#x0201D; to the CBM consists of the time-intervals between stimulation pulses, while the &#x0201C;output&#x0201D; is a binary series indicating whether or not an AP happened immediately after a stimulation pulse. The linearized input&#x02013;output relation can be expressed either in biophysically interpretable &#x0201C;state space&#x0201D; (Equations 11, 12 and Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1C</xref>), or as a sum of the filtered input and filtered noise (Equation 20). Note that the overall I/O includes the mean output (Equation 10) which is non-linear. However, the linear part of the response, allows the derivation of the power spectral densities (Equation 13), the construction of linear optimal estimators (e.g., Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3C</xref>) and blind identification of the (linearized) system parameters (&#x0201C;Ident.&#x0201D; in Figures <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>&#x02013;<xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>).</p>
<p>Our results rely on three main assumptions. The temporal sparseness of the input &#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0226A; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> insures that the slow variables <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> effectively represent the &#x0201C;neuronal state&#x0201D; alone (as <italic>V</italic> and <bold>r</bold> always relax to a steady state before the next stimulation is given). The additional assumption <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> allowed us to integrate the model dynamics and derive the reduced map (Equation 8) for the dynamics of <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>, which is linear in <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>. The last assumption is that the dynamics of <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> can be linearized around a stable fixed point <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>. This fixed point is generated due to the noisiness of the rapid variables (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>), and the assumption <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> ensures that the stochastic fluctuations around <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> are small. We performed extensive numerical simulations (section 2.5) that indicate that our analytical results are accurate &#x02013; sometimes even if our assumptions break down.</p>
<p>However, clearly there are cases, beyond our assumptions, in which are results cannot hold. For example, if <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has very large fluctuations, then the response of the neuron cannot be completely linear, since <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:mn mathcolor="black">0</mml:mn><mml:mo mathcolor="black">&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x0003C;</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Such cases may require an extension of the formalism described here. There are many possible extensions which we did not pursue here. For example, one can extend the modeling framework (e.g., multi-compartment neurons), stimulation regime (e.g., heterogeneous pulse amplitudes), or the type of neurons modeled (e.g., bursting and spontaneously firing neurons). However, it seems that an important assumption, that cannot be easily removed, is that the input is temporally sparse (&#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0226A; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>).</p>
</sec>
<sec>
<title>3.3. Practical significance</title>
<p>Is such a sparse temporally stimulation regime &#x0201C;physiologically relevant&#x0201D; for the soma of a neuron? Currently, such question cannot be answered directly, since it is impossible to accurately measure all the current arriving to the soma from the dendrites under completely physiological conditions. However, there is some indirect evidence. Recent studies have shown that the distribution of synaptic efficacies in the cortex is log-normal (Song et al., <xref ref-type="bibr" rid="B55">2005</xref>) &#x02013; so a few synapses are very strong, while most are very weak. This indicates that the neuronal firing patterns might in fact be dominated by a small number of very strong synapses while the sum of the weak synapses sets the voltage baseline (Ikegaya et al., <xref ref-type="bibr" rid="B29">2012</xref>). Such a possibility is supported by the fact that individual APs can trigger the complex network events in humans (Moln&#x000E1;r et al., <xref ref-type="bibr" rid="B44">2008</xref>; Koml&#x000F3;si et al., <xref ref-type="bibr" rid="B35">2012</xref>). Also, in rats, individual cortical cells can elicit whisker movements in Brecht et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B6">2004</xref>) and even modify the global brain state (Li et al., <xref ref-type="bibr" rid="B38">2009</xref>). Taken together, these observations suggests that the above-threshold stimulation reaching the soma may be temporally sparse in some cases.</p>
<p>There are other obvious cases were our results are immediately applicable. First, in an axonal compartment, the relevant input current is indeed sparse &#x02013; an AP spike train arriving from a previous compartment. Second, a direct pulse-like stimulation is used in cochlear implants (Goldwyn et al., <xref ref-type="bibr" rid="B24">2012</xref>, and references therein). Lastly, such stimulation is used as an experimental probe (De Col et al., <xref ref-type="bibr" rid="B11">2008</xref>; Gal et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>; Gal and Marom, <xref ref-type="bibr" rid="B20">2013</xref>). Specifically, since we now have a precise expression for the power spectral density of the response, we are now ready to use these analytical results in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B58">2014</xref>) to reproduce the experimentally observed 1/<italic>f</italic><sup>&#x003B1;</sup> behavior of the neuron and explore its implications on its input&#x02013;output relation.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="methods" id="s4">
<title>4. Methods</title>
<p>In this section we provide the details of the results presented in the paper. Sections 4.1&#x02013;4.5 here respectively correspond to Sections 2.1&#x02013;2.5. The first four (theoretical) sections can be read independently of each other (except when we discuss the repeating &#x0201C;HHS model&#x0201D; example). The last section give the details of the numerical simulations.</p>
<sec>
<title>4.1. Full model (biophysical neuron models)</title>
<p>As we explained in section <bold>2.1</bold>, a general model for a biophysical isopotential neuron is given by the following equations</p>
<disp-formula id="E26"><label>(24)</label><mml:math id="M48"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E27"><label>(25)</label><mml:math id="M49"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E28"><label>(26)</label><mml:math id="M50"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with <bold>voltage</bold> <italic>V</italic>, stimulation current <italic>I</italic>(<italic>t</italic>), <bold>rapid</bold> variables <bold>r</bold> (e.g., <italic>m, n, h</italic> in the Hodgkin&#x02013;Huxley (HH) model Hodgkin and Huxley, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1952</xref>), <bold>slow</bold> variables <bold>s</bold> (e.g., slow sodium inactivation Chandler and Meves, <xref ref-type="bibr" rid="B7">1970</xref>), rate matrices <bold>A</bold><sub><italic>r/s</italic></sub>, white noise processes &#x003BE;<sub><italic>r/s</italic></sub> (with zero mean and unit variance), and matrices <bold>B</bold><sub><italic>r/s</italic></sub> which can be written explicitly using the rates and ion channel numbers (Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>) (<bold>D</bold> &#x0003D; <bold>BB</bold><sup>&#x022A4;</sup> is the diffusion matrix Gardiner, <xref ref-type="bibr" rid="B21">2004</xref>; Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>). In this section we give the specific forms of <bold>A</bold><sub><italic>r/s</italic></sub> and <bold>B</bold><sub><italic>r/s</italic></sub>, and their origin based on neuronal biophysics.</p>
<sec>
<title>Microscopic origins</title>
<p>Such a model is commonly called a stochastic Conductance Based Model (CBM). In a non-stochastic CBM, the dynamics of the membrane voltage <italic>V</italic> (Equation 36) are deterministically determined by some general function of <italic>V</italic>, the stimulation current <italic>I</italic>(<italic>t</italic>), and some internal state variables <bold>r</bold> and <bold>s</bold>. In contrast, the dynamical equations for <bold>r</bold> and <bold>s</bold> here adhere to a specific Stochastic Differential Equation (SDE) form, since these variables describe the &#x0201C;population state&#x0201D; of all the ion channels in the neuron. We now explain the biophysical interpretation of those equations.</p>
<p>At the microscopic level, each ion channel has several states, and it switches between those states with voltage dependent rates (Hille, <xref ref-type="bibr" rid="B26">2001</xref>). This is usually modeled using a Markov model framework (Colquhoun and Hawkes, <xref ref-type="bibr" rid="B9">1981</xref>). Formally, suppose we index by <italic>c</italic> the different types of channels, <italic>c</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>C</italic>. For each channel type <italic>c</italic> there exist <italic>N</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup> channels, where each channel of type <italic>c</italic> possesses <italic>K</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup> internal states. In the Markov framework, for each ion channel that resides in state <italic>i</italic>, the probability that the channel will be in state <italic>j</italic> after an infinitesimal time <italic>dt</italic> is given by</p>
<disp-formula id="E29"><label>(27)</label><mml:math id="M51"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow> </mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>A</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> (<italic>V</italic>) is called the &#x0201C;rate matrix&#x0201D; for that channel type.</p>
<p>To facilitate mathematical analysis and efficient numerical simulation, we preferred to model stochastic CBMs using a compressed, SDE form. This method was initially suggested by Fox and Lu (<xref ref-type="bibr" rid="B18">1994</xref>), but their method suffered from several problems (Goldwyn et al., <xref ref-type="bibr" rid="B23">2011</xref>). In a recent paper (Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>) a more general method was derived, which had none of the previous problems, and was shown numerically to produce a very accurate approximation of the original Markov process description.</p>
</sec>
<sec>
<title>Derivation</title>
<p>According to Orio and Soudry (<xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>), if we define <italic>x</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup><sub><italic>k</italic></sub> to be the fraction of <italic>c</italic>-type channels in state <italic>k</italic>, and <bold>x</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> to be a column vector composed of <italic>x</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup><sub><italic>k</italic></sub>, then</p>
<disp-formula id="E30"><label>(28)</label><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003BE;<sup>(<italic>c</italic>)</sup> is a white noise vector process &#x02013; meaning it has zero mean and auto-covariance</p>
<disp-formula id="E31"><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>I</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>I</bold> is the identity matrix, &#x003B4;(<italic>t</italic>) is the Dirac delta function, and &#x003B4;<sub><italic>c, c&#x02032;</italic></sub> &#x0003D; 1 if <italic>c</italic> &#x0003D; <italic>c&#x02032;</italic> and 0 otherwise. Furthermore, <bold>B</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> is defined so that in Equation (28) each component of &#x003BE;<sup>(<italic>c</italic>)</sup>, which is associated with a transition pair <italic>i</italic> &#x021CB; <italic>j</italic>, is multiplied by <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:msqrt style="color:black"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">j</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">j</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">/</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathcolor="black">N</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and appears in the equation for <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">j</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with opposite signs. Note that <bold>B</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> is not necessarily square since it has <italic>K</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup> rows but the number of columns is equal to the number of transition pairs.</p>
<p>We now need to combine Equation (28) for all <italic>c</italic> to obtain Equations (1&#x02013;3). For simplicity, assume now that all ion channels types can be classified as either &#x0201C;rapid&#x0201D; or &#x0201C;slow&#x0201D; (this assumption can be relaxed). In this case we can concatenate all vectors related to rapid channels <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02026;</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and to slow channels <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02026;</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <italic>R</italic> &#x0002B; <italic>S</italic> &#x0003D; <italic>C</italic>. We similarly define &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and &#x003BE;<sub><italic>s</italic></sub> together with the block matrices</p>
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and similarly for <bold>B</bold><sub><italic>r</italic></sub> and <bold>B</bold><sub><italic>s</italic></sub>. Note that <bold>A</bold><sub><italic>r</italic></sub> is square with size <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">M</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathcolor="black">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rows while <bold>A</bold><sub><italic>s</italic></sub> is square with size <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">M</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathcolor="black">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rows.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.1.1. Compressed formulation</title>
<p>In some cases, it is more convenient to re-write Equations (1&#x02013;3) in a compressed form (this is always possible)</p>
<disp-formula id="E33"><label>(29)</label><mml:math id="M62"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E34"><label>(30)</label><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E35"><label>(31)</label><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>r, s</bold>, and &#x003BE;<sub><italic>r/s</italic></sub> have been redefined (their dimension has decreased), as we will show next. First, we comment that the main disadvantage is of these equations is that they are less compact and the notation is somewhat more cumbersome. However, there are also several advantages to this approach: (1) The vectors and matrices are smaller, (2) The rate and diffusion matrices do not have &#x0201C;troublesome&#x0201D; zero eigenvalues and can be diagonal (which is analytically convenient), (3) Most CBMs are written using this form (e.g., the HH model), so it is easier to apply our results using this formalism.</p>
</sec>
<sec>
<title>Derivation</title>
<p>To derive these compressed equations, we use the fact <italic>x</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup><sub><italic>k</italic></sub> denote fractions, so &#x02211;<sub><italic>k</italic></sub><italic>x</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup><sub><italic>k</italic></sub> &#x0003D; 1, for all <italic>c</italic>. We can use this constraint, together with the irreducibility of the underlying ion channel process, to reduce by one the dimensionality of Equation (28) (see Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B56">2012a</xref> for further details). Defining <bold>I</bold> to be the identity function, <bold>J</bold> to be the <bold>I</bold> with it last row removed, <bold>e</bold> &#x0225C; (0, 0, &#x02026;, 1)<sup>&#x022A4;</sup>, <bold>u</bold> &#x0225C; (1, 1, &#x02026;, 1)<sup>&#x022A4;</sup>, <bold>G</bold> &#x0225C; (<bold>I</bold> &#x02212; <bold>eu</bold><sup>&#x022A4;</sup>) <bold>J</bold><sup>&#x022A4;</sup>, <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">J</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">G</mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">J</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (with <italic>x</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup><sub><italic>K</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup></sub> replaced by 1 &#x02212; <italic>x</italic><sub>1</sub> &#x02212; <italic>x</italic><sub>2</sub> &#x02026; &#x02212;<italic>x</italic><sub><italic>K</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup>&#x02212;1</sub>) and <bold>b</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> &#x0225C; &#x02212;<bold>JA</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup><bold>e</bold> (<inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is invertible), we obtain the following equation for the reduced state vector <bold>y</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> &#x0003D; <bold>Jx</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> (which has only <italic>K</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup> &#x02212; 1 states)</p>
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M68"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Again assuming that all channels can be classified as either &#x0201C;rapid&#x0201D; or &#x0201C;slow,&#x0201D; we concatenate all vectors related to rapid channels <bold>r</bold> &#x0225C; (<bold>y</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub>(1)</sub>, &#x02026;, <bold>y</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub>(<italic>R</italic>)</sub>)<sup>&#x022A4;</sup> and to slow channels <bold>s</bold> &#x0225C; (<bold>y</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub>(<italic>R</italic>&#x0002B;1)</sub>, &#x02026;, <bold>y</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub>(<italic>R</italic>&#x0002B;<italic>S</italic>)</sub>)<sup>&#x022A4;</sup>, where <italic>R</italic> &#x0002B; <italic>S</italic> &#x0003D; <italic>C</italic>. We obtain Equations (30, 31) by similarly defining <bold>b</bold><sub><italic>r</italic></sub>, <bold>b</bold><sub><italic>s</italic></sub>, &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and &#x003BE;<sub><italic>s</italic></sub> together with the block matrices</p>
<disp-formula id="E37"><mml:math id="M69"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and similarly for <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is square with <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">M</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathcolor="black">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rows while <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is square with <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">M</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">R</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">+</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathcolor="black">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rows. Furthermore, it can be shown (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B56">2012a</xref>) that <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a strictly stable matrix (all its eigenvalues are also eigenvalues of <bold>A</bold><sup>(<italic>c</italic>)</sup> except its zero eigenvalue, and so have a strictly negative real part), and <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">c</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive definite (so all its eigenvalues are real and strictly positive). Therefore, also <inline-formula><mml:math id="M78"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are both strictly stable and <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are positive definite. Therefore, if <italic>V</italic> is held constant, &#x02329;<bold>s</bold>&#x0232A; and &#x02329;<bold>r</bold>&#x0232A; tend to <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">&#x0221E;</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">&#x0221E;</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>
</sec>
<sec>
<title>Example &#x02013; the HHS model</title>
<p>The HHS model can be easily written using the compressed formulation. For example, comparing Equation (23) with Equation (31) we find that</p>
<disp-formula id="E38"><label>(32)</label><mml:math id="M84"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E39"><label>(33)</label><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E40"><label>(34)</label><mml:math id="M86"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E41"><label>(35)</label><mml:math id="M87"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Note that all the parameters are scalar in the HHS model, and so are not boldfaced, as in the general case.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>4.2. Model reduction</title>
<p>In this section we give additional technical details on section <bold>2.2</bold>. Specifically, we show how, given sparse spike stimulation and a few assumptions, it is possible to derive a simple reduced dynamical system (Equation 8) from the full equations of a general biophysical model for an isopotential neuron (Equations 1&#x02013;3),</p>
<disp-formula id="E42"><label>(36)</label><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E43"><label>(37)</label><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E44"><label>(38)</label><mml:math id="M90"><mml:mrow><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>For more details on how its parameters and variables map to microscopic biophysical quantities, see section 4.1.</p>
<sec>
<title>4.2.1. The excitability constraint</title>
<p>As explained in section 2.1, we focus on models for <bold>excitable</bold> neurons describable by equations of the general form of Equations (36&#x02013;38), rather than on arbitrary dynamical systems. This imposes some constraints on the parameters (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). Formally, recall that &#x003C4;<sub>AP</sub> and &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> are the respective kinetic timescales of {<italic>V</italic>, <bold>r</bold>} and <bold>s</bold>, and that &#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0003C; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold>. Suppose we &#x0201C;freeze&#x0201D; the dynamics of <bold>s</bold> (so that effectively &#x003C4;<sub><bold>s</bold></sub> &#x0003D; &#x0221E;) and allow only <italic>V</italic> and <bold>r</bold> to evolve in time. We say the original model describes an <bold>excitable</bold> neuron, if the following conditions hold in this &#x0201C;semi-frozen&#x0201D; model:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p>If <italic>I</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003D; 0, then for all initial conditions, <italic>V</italic> and <bold>r</bold> rapidly (within timescale &#x003C4;<sub>AP</sub>) relax to a constant and unique steady state (&#x0201C;rest&#x0201D;).</p></list-item>
<list-item><p>Assume that <italic>V</italic> and <bold>r</bold> are near rest, and a short stimulation pulse is given with duration <italic>t</italic><sub>stim</sub> &#x02264; &#x003C4;<sub>AP</sub> and amplitude <italic>I</italic><sub>0</sub>. For certain initial conditions and values of <italic>I</italic><sub>0</sub>, we get either a stereotypical &#x0201C;strong&#x0201D; response (&#x0201C;AP response&#x0201D;) or a stereotypical &#x0201C;weak&#x0201D; response in <italic>V</italic> (&#x0201C;no AP response&#x0201D;). Only for a very small set of initial conditions and values of <italic>I</italic><sub>0</sub>, do we get an &#x0201C;intermediate&#x0201D; response (&#x0201C;weak AP response&#x0201D;). By &#x0201C;stereotypical&#x0201D; we mean that the shape of response does not change much between trials or for different initial conditions in {<italic>V</italic>, <bold>r</bold>} (however, it can change with <bold>s</bold>).</p></list-item>
</list>
<p>Note that due to condition 1, such an excitable neuron is <italic>not</italic> oscillatory and does not spontaneously fire APs.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2.2. Problem formulation</title>
<p>Formally, suppose an excitable neuron receives a train of <italic>identical</italic> stimuli, so</p>
<disp-formula id="E45"><mml:math id="M91"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>&#x02293;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x02293;(<italic>x</italic>) is a pulse, of width <italic>t</italic><sub><italic>w</italic></sub> (so &#x02293;(<italic>x</italic>) &#x0003D; 0 for <italic>x</italic> outside [0, <italic>t</italic><sub><italic>w</italic></sub>]). We denote by {<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>}<sup>&#x0221E;</sup><sub><italic>m</italic>&#x0003D;&#x02212;&#x0221E;</sub> the occurrence events of AP responses at times {<italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>}<sup>&#x0221E;</sup><sub><italic>m</italic>&#x0003D;&#x02212;&#x0221E;</sub>, i.e., immediately after each stimulation time <italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub> (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1A</xref>),</p>
<disp-formula id="E46"><label>(39)</label><mml:math id="M92"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;an&#x000A0;AP&#x000A0;occurs</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>otherwise</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow> </mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Defining <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0225C; <italic>t</italic><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub> &#x02212; <italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>, the inter-stimulus interval, and &#x003C4;<sub>AP</sub> as the upper timescale of an AP event (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref>) we make the following assumption.</p>
<p><bold>Assumption 1</bold>. <italic>(a) The stimulation pulse width is small, <italic>t</italic><sub><italic>w</italic></sub> &#x0003C; &#x003C4;<sub>AP</sub>. (b) The spike times</italic> {<italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>}<sup>&#x0221E;</sup><sub><italic>m</italic> &#x0003D; 0</sub> <italic>are temporally sparse, i.e</italic>., &#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0226A; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> <italic>for every m (&#x0201C;no collisions&#x0201D;)</italic>.</p>
<p>Our main objective here is to mathematically characterize the relation between {<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>} and {<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>} under the most general conditions.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2.3. Derivations</title>
<p>We define the sampled quantities <italic>V</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0225C; <italic>V</italic>(<italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>), <bold>r</bold><sub><italic>m</italic></sub> &#x0225C; <bold>r</bold>(<italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>), <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> &#x0225C; <bold>s</bold>(<italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub>), <bold>x</bold><sub><italic>m</italic></sub> &#x0225C; (<italic>V</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <bold>r</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>m</italic></sub>, <bold>s</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>m</italic></sub>)<sup>&#x022A4;</sup> and the history set <graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0001.tif"/><sub><italic>m</italic></sub> &#x0225C; <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (note that <graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0001.tif"/><sub><italic>m</italic></sub> &#x02282; <graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0001.tif"/><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub>). The Stochastic Differential Equation (SDE) description in Equations (36&#x02013;38) implies that <bold>x</bold><sub><italic>m</italic></sub> is a &#x0201C;state vector&#x0201D; with the <italic>Markov property</italic>, namely it is a sufficient statistic on the history to determine the probability of generating an AP at each stimulation,</p>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0002.tif"/>
<p>and, together with <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> and <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, its own dynamics</p>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0003.tif"/>
<p>which implies the following causality relations</p>
<disp-formula id="E47"><label>(42)</label><mml:math id="M94"><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This causality structure is reminiscent of the well known Hidden Markov Model (Rabiner, <xref ref-type="bibr" rid="B50">1989</xref>), except that in the present case the output <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, affects the transition probability, and we have input <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>. Theoretically, if we knew the distributions in Equations (40) and (41), as well as the initial condition <italic>P</italic> (<bold>x</bold><sub>0</sub>), we could integrate and find an exact probabilistic I/O relation <italic>P</italic>({<italic>Y</italic><sub><italic>k</italic></sub>}<sup><italic>m</italic></sup><sub><italic>k</italic>&#x0003D;<italic>0</italic></sub>|{<italic>T</italic><sub><italic>k</italic></sub>}<sup><italic>m</italic></sup><sub><italic>k</italic>&#x0003D;0</sub>. However, since it may be hard to find an expression for <italic>P</italic>(<bold>x</bold><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub>|<bold>x</bold><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>) in general, we make a simplifying assumption.</p>
<p><bold>Assumption 2</bold>. <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; <italic>&#x003C4;<sub>s</sub> for every m</italic>.</p>
<p>This assumption, together with Assumption 1 and the excitable nature of the CBM, renders the dynamics between stimulations relatively easy to understand. Specifically, between two consecutive stimulations, the fast variables (<italic>V</italic>(<italic>t</italic>), <bold>r</bold>(<italic>t</italic>)) follow stereotypically either the &#x0201C;AP response&#x0201D; (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; 1) or the &#x0201C;no-AP response&#x0201D; (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; 0), then equilibrate rapidly (within time &#x003C4;<sub>AP</sub>) to some quasi-stationary distribution <italic>q</italic>(<italic>V</italic>, <bold>r</bold>|<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>). Meanwhile, the slow variable <bold>s</bold> (<italic>t</italic>), starting from its initial condition at the time of the previous stimulation, changes slowly according to Equation (38), affected by the voltage trace of <italic>V</italic>(<italic>t</italic>) (through <bold>A</bold><sub><italic>s</italic></sub> (<italic>V</italic>)).</p>
<p>Summarizing this mathematically, we obtain the following approximations</p>
<disp-formula id="E48"><label>(43)</label><mml:math id="M95"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E49"><label>(44)</label><mml:math id="M96"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Using these equations together with Equations (40) and (41), we obtain</p>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0004.tif"/>
<p>Therefore, the &#x0201C;excitability&#x0201D; vector <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> can now replace the full state vector <bold>x</bold><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; (<italic>V</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <bold>r</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>m</italic></sub>, <bold>s</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>m</italic></sub>)<sup>&#x022A4;</sup> as the sufficient statistic that retains all relevant the information about the history of previous stimuli. Given the input {<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>}<sup>&#x0221E;</sup><sub><italic>m</italic>&#x0003D;&#x02212;&#x0221E;</sub>, Equations (45) and (46) together completely specify a Markov process with the causality structure</p>
<disp-formula id="E50"><label>(47)</label><mml:math id="M97"><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02193;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Since the function <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>) is not affected by the kinetics of <bold>s</bold>, it can be found by numerical simulation of a single AP using only Equations (36, 37), when <bold>s</bold> is held constant (see section 4.2.4). Now, instead of finding <italic>P</italic>(<bold>s</bold><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub>|<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>) directly, we calculate the increments &#x00394;<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> &#x0225C; <bold>s</bold><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub> &#x02212; <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> by integration of the SDE in Equation (38) between <italic>t</italic><sub><italic>m</italic></sub> and <italic>t</italic><sub><italic>m</italic> &#x0002B; 1</sub>. First, we integrate the &#x0201C;predictable&#x0201D; part of the increment</p>
<disp-formula id="E51"><label>(48)</label><mml:math id="M98"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E52"><label>(49)</label><mml:math id="M99"><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>to first order, where &#x02329;<italic>X</italic>|<italic>Y</italic>&#x0232A; denotes the conditional expectation of <italic>X</italic> given <italic>Y</italic>. Note that <bold>A</bold><sub><italic>s</italic></sub> &#x0007E; <italic>O</italic>(&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold><sup>&#x02212;1</sup>), so second order corrections are of order <italic>O</italic>((<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold><sup>&#x02212;1</sup>)<sup>2</sup>). Due to assumption 2, we have <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold><sup>&#x02212;1</sup> &#x0226A; 1, so these corrections are negligible. Now,</p>
<disp-formula id="E53"><mml:math id="M100"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we defined</p>
<disp-formula id="E54"><label>(50)</label><mml:math id="M101"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E55"><label>(51)</label><mml:math id="M102"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E56"><label>(52)</label><mml:math id="M103"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which are the average rates during rest, during an AP response and during a no-AP response, receptively. Note a similar notation was also used in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) (e.g., Equations 2.15, 2.16 there), where the &#x0002B;/ &#x02212; /0 were replaced with <italic>H</italic>/<italic>M</italic>/<italic>L</italic>.</p>
<p>Next, we calculate the remaining part of the increment, which is the &#x0201C;innovation,&#x0201D;</p>
<disp-formula id="E57"><mml:math id="M104"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Obviously, &#x02329;<bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>|<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; 0, and also</p>
<disp-formula id="E58"><mml:math id="M105"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>to first order. Note that <bold>D</bold><sub><italic>s</italic></sub> &#x0007E; <italic>O</italic>(&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold><sup>&#x02212;1</sup>/<italic>N</italic>), where <italic>N</italic> &#x0003D; min<sub><italic>c</italic></sub><italic>N</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup>(<italic>N</italic><sup>(<italic>c</italic>)</sup> is the channel number of the <italic>c</italic>-type channel, as we defined in section 4.1), while Equation (53) has corrections of size <italic>O</italic>((<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold><sup>&#x02212;1</sup>/<italic>N</italic>)<sup>2</sup>). Since <italic>N</italic> &#x02265; 1 (usually <italic>N</italic> &#x0226B; 1), and due to assumption 2, we have <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold><sup>&#x02212;1</sup>/<italic>N</italic> &#x0226A; 1, so these corrections are also negligible. Now,</p>
<disp-formula id="E59"><label>(53)</label><mml:math id="M106"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we defined</p>
<disp-formula id="E60"><label>(54)</label><mml:math id="M107"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E61"><label>(55)</label><mml:math id="M108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;if</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E62"><label>(56)</label><mml:math id="M109"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Additionally, we note that <bold>A</bold><sub>&#x000B1;/0</sub> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>) generally tend to be rather insensitive to changes in <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>. This is because the kinetic transition rates (which are used to construct <bold>A</bold><sub><italic>s</italic></sub> (<italic>V</italic>), as explained in section 4.1) tend to demonstrate this insensitivity when similarly averaged (see Figures 4B, 5 in Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). The usual reasons behind this are (see appendix section B1 of Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>): (1) The common sigmoidal shape of the voltage dependency of the kinetic rates reduces their sensitivity to changes in the amplitude of the AP or the resting potential (2) The shape of the AP is relatively insensitive to <bold>s</bold> (3) The resting voltage is relatively insensitive to <bold>s</bold>. Therefore, in most cases we can approximate <bold>A</bold><sub>&#x000B1;/0</sub> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>) to be constant for simplicity (though this not critical to our subsequent results), as we shall henceforth do.</p>
<p>Additionally, we note that, strictly speaking, the voltage trace during an AP and at rest are stochastic, and therefore, <bold>A</bold><sub>&#x0002B;</sub>, <bold>A</bold><sub>&#x02212;</sub>, <bold>A</bold><sub>0</sub>, <bold>D</bold><sub>&#x0002B;</sub>, <bold>D</bold><sub>&#x02212;</sub> and <bold>D</bold><sub>0</sub> are stochastic. However, there are two factors that render this stochasticity negligible. First, the sigmoidal shape of the kinetic rates implies that <bold>A</bold>(<italic>V</italic>) is rather insensitive to fluctuations in the voltage (Figure 4 in our Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). Second, noise mainly plays a role in the timing of AP initiation, but does not much affect the AP shape above threshold (see AP voltage traces in Schneidman et al., <xref ref-type="bibr" rid="B52">1998</xref>, p. 1687). Therefore, we shall approximate <bold>A</bold><sub>&#x0002B;</sub>, <bold>A</bold><sub>&#x02212;</sub>, <bold>A</bold><sub>0</sub>, <bold>D</bold><sub>&#x0002B;</sub>, <bold>D</bold><sub>&#x02212;</sub> and <bold>D</bold><sub>0</sub> to be deterministic.</p>
<p>In summary, defining</p>
<disp-formula id="E63"><label>(57)</label><mml:math id="M110"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E64"><label>(58)</label><mml:math id="M111"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>we can write</p>
<disp-formula id="E65"><label>(59)</label><mml:math id="M112"><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with&#x02329;<bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>|<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; 0 and</p>
<disp-formula id="E66"><label>(60)</label><mml:math id="M113"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>These equations correspond to the result presented in Equation (8).</p>
<p>Finally, we note that the distribution of <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub> given <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> can be generally computed using the approach described in Orio and Soudry (<xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>). For example, it can be well approximated to have a normal distribution if channel numbers are sufficiently high and channel kinetics are not too slow (Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>). In that case only knowledge of the variance (Equation 60) is sufficient to generate <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>. And so, using Equations (45), (59) and the full distribution of <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>, we can now simulate the neuronal response using a reduced model, more efficiently and concisely (with fewer parameters) than the full model (Equations 36, 38), since every time step is a stimulation event. The simulation time should shorten approximately by a factor of &#x02329;<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A;/<italic>dt</italic>, where <italic>dt</italic> is the full model simulation step. Note that the reduced model parameters, having been deduced from the full model itself, still retain a biophysical interpretation.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2.4. Calculation of <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>)</title>
<p>We numerically calculated <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>) by disabling all the slow kinetics in the model &#x02013; i.e., we only use Equations (1, 2) in main text, while <bold>&#x01E61;</bold> &#x0003D; 0. Then, for every value of <bold>s</bold> we simulated this &#x0201C;semi-frozen&#x0201D; model numerically by first allowing <bold>r</bold> to relax to a steady state and then giving a stimulation pulse with amplitude <italic>I</italic><sub>0</sub>. We repeat this procedures 200 times for each <bold>s</bold>, and calculate <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>) as the fraction of simulations that produced an AP. A few comments are in order: (1) In some cases (e.g., the HHMS model) we can use a shortcut and calculate <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>) based on previous results. For example, suppose we know the probability function <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">p</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub>AP</sub> (<italic>s</italic>) for some model with a scalar <bold><italic>s</italic></bold> and we make the substitution <italic>s</italic> &#x0003D; <italic>h</italic> (<bold>s</bold>) where the components of <bold>s</bold> represent independent and uncoupled channel types (Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>) &#x02013; then <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>) &#x0003D; <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">p</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub>AP</sub> (<italic>h</italic> (<bold>s</bold>)) in the new model. (2) The timescale separation assumption &#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0226A; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> implies that all the properties of the generated AP (amplitude, latency etc.) maintain similar causality relations with <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> as does <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, so we can find their distribution using the same simulation we used to find <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>), similarly to the approach taken to compute <italic>L</italic> (<bold>s</bold>) in the deterministic setting (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). (3) Numerical results (Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>) suggest that we can generally write</p>
<disp-formula id="E67"><label>(61)</label><mml:math id="M116"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003A6; is the cumulative distribution function of the normal distribution, <italic>E</italic> (<bold>s</bold>) is some &#x0201C;excitability function&#x0201D; (as defined in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>), so <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>) &#x0003D; 0.5 on the threshold &#x00398; &#x0003D; {<bold>s</bold>|<italic>E</italic> (<bold>s</bold>) &#x0003D; 0}), and <italic>N</italic><sup>&#x02212;1/2</sup><sub><italic>r</italic></sub>, the &#x0201C;noisiness&#x0201D; of the rapid sub-system, directly affects the slope of <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold>) (Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6D</xref>, <italic>bottom</italic>). Also, as explained in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>), <italic>E</italic> (<bold>s</bold>) is usually monotonic in each component separately and increasing in <italic>I</italic><sub>0</sub> (Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6C</xref>, <italic>top</italic>) &#x02013; which could be considered as just another component of <bold><bold>s</bold></bold> which has zero rates.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2.5. Compressed formulation &#x02013; reduction</title>
<p>We can perform a very similar model reduction and linearization using the compressed formalism presented in section 4.1.1. We just need to define (or re-define) <bold>A</bold><sub>&#x000B1;,0</sub>, <bold>b</bold><sub>&#x000B1;,0</sub>, <bold>D</bold><sub>&#x000B1;,0</sub> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>), <bold>A</bold> (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>), <bold>b</bold> (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>) and <bold>D</bold> (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>) in the obvious way and repeat very similar derivations, arriving to</p>
<disp-formula id="E68"><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>instead of Equation (59) (or Equation 8). Next, we demonstrate this for the HHS model.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2.6. Example &#x02013; HHS model reduction</title>
<p>We derive the parameters of the HHS reduced map. Recall that the HHS model is based on the compressed formulation. Following the reduction technique described in the previous sections, we numerically find the average rates &#x003B3;<sub>&#x000B1;,0</sub> and &#x003B4;<sub>&#x000B1;,0</sub> (as in Equations (2.15, 2.16) of Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>), where there we denoted <italic>H</italic>/<italic>M</italic>/<italic>L</italic> instead of &#x0002B;/ &#x02212; /0 here), &#x003C4;<sub>AP</sub> and <italic>p</italic><sub>AP</sub> (<italic>s</italic>) (section 4.2.4).</p>
<p>From Equations (32, 35), we find,</p>
<disp-formula id="E69"><label>(62)</label><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E70"><label>(63)</label><mml:math id="M119"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E71"><label>(64)</label><mml:math id="M120"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and so <italic>A</italic> (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>) and <italic>D</italic> (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>s</italic><sub><italic>m</italic></sub>) are defined as in Equations (57) and (58), and similarly</p>
<disp-formula id="E72"><mml:math id="M121"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We give for example some specific values: if &#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0003D; 15 ms, then in the range <italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 7.5&#x02212;8.3 &#x003BC;<italic>A</italic>, we have &#x003B4;<sub>&#x000B1;,0</sub> &#x0003D; 25.5&#x02212;25.6 mHz, &#x003B3;<sub>&#x0002B;</sub> &#x0003D; 22.9&#x02212;22.1 mHz, &#x003B3;<sub>&#x02212;</sub> &#x0003D; 0.9&#x02212;1.3&#x003BC; Hz and &#x003B3;<sub>0</sub> &#x0003D; 0.29&#x02212;0.28&#x003BC; Hz.</p>
<p>Recall that these averaged kinetic rates are determined by the shape of the voltage dependent rates (&#x003B3; (<italic>V</italic>) and &#x003B4; (<italic>V</italic>), see Equation 125) (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). The relative values of the averaged kinetic rates determine what kind of information can be stored in <italic>s</italic> (which retains the &#x0201C;memory&#x0201D; of the neuron between stimulation). We qualitatively demonstrate this in Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref> depicting the values of &#x003B3;<sub>&#x000B1;,0</sub> for three different shapes of &#x003B3; (<italic>V</italic>): when &#x003B3; (<italic>V</italic>) is sigmoidal with high threshold, when it is sigmoidal with low threshold and when it is constant. These determine whether &#x003B3; (<italic>V</italic>) is affected by the output (APs), the input (stimulation pulses) or neither. Therefore: (1) if &#x003B3; (<italic>V</italic>) and &#x003B4; (<italic>V</italic>) are independent of the voltage, then <italic>s</italic> cannot store any information on input or output. (2) if &#x003B3; (<italic>V</italic>) or &#x003B4; (<italic>V</italic>) have low voltage threshold, then <italic>s</italic> can directly store information on the input. (3) if &#x003B3; (<italic>V</italic>) or &#x003B4; (<italic>V</italic>) have high voltage threshold, then <italic>s</italic> can directly store information about the output. In the HHS model the inactivation rate &#x003B3; has high threshold, while &#x003B4; is voltage independent &#x02013; therefore, <italic>s</italic> directly stores information on the output.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>4.3. Linearization</title>
<p>In this section we present a more detailed account on how to arrive from the reduced model (mainly, Equation 8) to its linearized version (the results in Equations 11, 12).</p>
<p>First, we write the complete reduced model, using Equations (59), (60), and (45). The reduced model is a non-linear stochastic dynamic &#x0201C;state-space&#x0201D; system with <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, the inter-stimulus interval lengths, serving as inputs, <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub> representing the neuronal state, and <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> the output. We have</p>
<disp-formula id="E73"><label>(65)</label><mml:math id="M122"><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E74"><label>(66)</label><mml:math id="M123"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x02329;<bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub><bold>n</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>m</italic></sub>|<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub><bold>D</bold> (<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>),</p>
<disp-formula id="E75"><mml:math id="M124"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E76"><mml:math id="M125"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and we defined</p>
<disp-formula id="E77"><label>(67)</label><mml:math id="M126"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Based on the causality structure in Equation (42), it is straightforward to prove that <italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub> and <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub> are uncorrelated white noise processes &#x02013; i.e., &#x02329;<italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; 0, &#x02329;<bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; &#x02329;<italic>e</italic><sub><italic>n</italic></sub><bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; <bold>0</bold> and &#x02329;<bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub><bold>n</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>n</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; &#x02329;<bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub><bold>n</bold><sup>&#x022A4;</sup><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x003B4;<sub><italic>mn</italic></sub>, &#x02329;<italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub><italic>e</italic><sub><italic>n</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; &#x02329;<italic>e</italic><sup>2</sup><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x003B4;<sub><italic>mn</italic></sub> where &#x003B4;<sub><italic>nm</italic></sub> &#x0003D; 1 if <italic>n</italic> &#x0003D; m and 0 otherwise.</p>
<p>We now examine the case where {<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>} is a Wide Sense Stationary (WSS) process (i.e., the first and second order statistics of the process are invariant to time shifts), with mean <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>, so that the assumptions &#x003C4;<sub>AP</sub> &#x0226A; <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0226A; &#x003C4;<bold><sub>s</sub></bold> are fulfilled with high probability. In this case the processes {<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>} and {<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>} are also WSS, with constant means &#x02329;<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> and &#x02329;<italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>. Also, it is straightforward to verify that <inline-formula><mml:math id="M127"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02329;</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn mathcolor="black">0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02329;</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">e</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>In order to linearize the system in Equations (59&#x02013;66) we denote <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">p</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M131"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M132"><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02207;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In order for this linearization to be accurate we require that <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is &#x0201C;small enough.&#x0201D;</p>
<p><bold>Assumption 3</bold>. <italic>With high probability</italic> <inline-formula><mml:math id="M134"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x0226A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>(component-wise) and</italic> <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x0226B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02207;</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02207;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>This assumption essentially means that <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>(<italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>) is a stable fixed point of the system (Equations 59&#x02013;66), and stochastic fluctuations around it are small, compared to the size of the region {<bold>s</bold>|<italic>p</italic><sub>AP</sub> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>) &#x02260; 0, 1} (usually determined by the noise level of the rapid system {<italic>V</italic>, <bold>r</bold>}, see section 4.2.4). Note that the region is usually rather narrow (Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>) and therefore <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x0226A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is often implied by this description. Given Assumption 3, we can approximate to first order</p>
<disp-formula id="E78"><label>(68)</label><mml:math id="M137"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which allows us to linearize Equation (66). This essentially means that the components of <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> determine the neuronal response linearly, with the components of <bold>w</bold> serving as the effective weights (related to the relevant conductances in the original full neuron model).</p>
<p>Next, we wish to linearize Equation (59). Using our assumptions, we obtain to first order</p>
<disp-formula id="E79"><label>(69)</label><mml:math id="M139"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Taking expectations and using Equations (66) and (68), we obtain</p>
<disp-formula id="E80"><label>(70)</label><mml:math id="M140"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>to zeroth order. Defining the solution of this equation is <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>(<italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>) and we can find <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> implicitly from</p>
<disp-formula id="E81"><label>(71)</label><mml:math id="M141"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We write the explicit solution of this equation as <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>(<italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>). Next, using <inline-formula><mml:math id="M142"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x0226A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Equation (70) and defining</p>
<disp-formula id="E82"><label>(72)</label><mml:math id="M143"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>I</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E83"><label>(73)</label><mml:math id="M144"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E84"><label>(74)</label><mml:math id="M145"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>we can approximate Equation (69) as</p>
<disp-formula id="E85"><label>(75)</label><mml:math id="M146"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which, together with</p>
<disp-formula id="E86"><label>(76)</label><mml:math id="M147"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>yields a simple linear state space representation with <inline-formula><mml:math id="M148"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the input, <inline-formula><mml:math id="M149"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the state, <inline-formula><mml:math id="M150"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as the output and two uncorrelated white noise sources with variances</p>
<disp-formula id="E87"><label>(77)</label><mml:math id="M151"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E88"><label>(78)</label><mml:math id="M152"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>to first order.</p>
<sec>
<title>4.3.1. Derivation of w</title>
<p>From Equation (61), we note that generally we can write</p>
<disp-formula id="E89"><label>(79)</label><mml:math id="M153"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where in many cases the excitability function <italic>E</italic> (<bold>s</bold>) has the form <italic>E</italic> (<bold>s</bold>) &#x0003D; <bold><italic>&#x003BC;</italic></bold><sup>&#x022A4;</sup><bold>s</bold> &#x02212; &#x003B8;, where the components of <bold><italic>&#x003BC;</italic></bold> are proportional to the relevant conductances (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). Therefore, if</p>
<disp-formula id="E90"><mml:math id="M154"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;or&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>then <italic>E</italic> (<bold>s</bold>) &#x02192; &#x000B1;&#x0221E;, so in this case (assuming <italic>E</italic> (<bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>) is not a particularly &#x0201C;pathological&#x0201D; function) we have</p>
<disp-formula id="E91"><label>(80)</label><mml:math id="M155"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>4.3.2. Compressed formulation &#x02013; linearization</title>
<p>In the compressed formulation (introduced in sections 4.1.1 and 4.2.5), we can perform similar linearization by re-defining <bold>F</bold> &#x0225C; <bold>I</bold> &#x0002B; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><bold>A</bold> (<italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>), <bold>d</bold> &#x0225C; <bold>A</bold><sub>0</sub><bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> &#x02212; <bold>b</bold><sub>0</sub>, <bold>a</bold> &#x0225C; &#x003C4;<sub>AP</sub> ((<bold>A</bold><sub>&#x0002B;</sub> &#x02212; <bold>A</bold><sub>&#x02212;</sub>)<bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> &#x02212; (<bold>b</bold><sub>&#x0002B;</sub> &#x02212; <bold>b</bold><sub>&#x02212;</sub>)), and repeat very similar derivations, where now we can write more explicitly</p>
<disp-formula id="E92"><label>(81)</label><mml:math id="M156"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>b</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>instead of Equation (70).</p>
</sec>
<sec>
<title>4.3.3. Example &#x02013; HHS model linearization</title>
<p>Note again that all the parameters are scalar now, and so are not boldfaced, as in the general case. From Equations (71) and (81) we obtain <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub> and <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> for a given <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>. Once <italic>s</italic><sub>&#x0002A;</sub> is known, from Equation (79) <italic>w</italic> can be obtained<xref ref-type="fn" rid="fn0007"><sup>7</sup></xref>. Next, we denote the average inactivation rate at steady state by</p>
<disp-formula id="E93"><mml:math id="M157"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and similarly for the recovery rate &#x003B4;<sub>&#x0002A;</sub>. And so, <italic>s</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; &#x003B4;<sub>&#x0002A;</sub>/(&#x003B3;<sub>&#x0002A;</sub> &#x0002B; &#x003B4;<sub>&#x0002A;</sub>), and</p>
<disp-formula id="E94"><label>(82)</label><mml:math id="M158"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E95"><label>(83)</label><mml:math id="M159"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E96"><label>(84)</label><mml:math id="M160"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Denoting &#x003B3;<sub>1</sub> &#x0225C; &#x003B3;<sub>&#x0002B;</sub> &#x02212; &#x003B3;<sub>&#x02212;</sub> and similarly for &#x003B4;<sub>1</sub>, we obtain</p>
<disp-formula id="E97"><label>(85)</label><mml:math id="M161"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E98"><label>(86)</label><mml:math id="M162"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>AP</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E99"><label>(87)</label><mml:math id="M163"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Finally, from Equations (77, 78) we find</p>
<disp-formula id="E100"><label>(88)</label><mml:math id="M164"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E101"><label>(89)</label><mml:math id="M165"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>4.4. Linear systems analysis</title>
<p>In section 2.4 we describe the neuronal dynamics using a linear system for the fluctuations, as depicted in Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>. This linear description allows us to use standard engineering tools to analyze the system. In this section we provide an easy to follow description on how this was done, for those unfamiliar with these topics.</p>
<sec>
<title>4.4.1. Second order statistics and linear systems</title>
<p>We start with a short reminder on some known results for stochastic processes (Papoulis and Pillai, <xref ref-type="bibr" rid="B49">1965</xref>; Gardiner, <xref ref-type="bibr" rid="B21">2004</xref>); these results are standard but are provided for completeness. These results will be used in later sections.</p>
<p>Assume {<bold>x</bold><sub><italic>m</italic></sub>} and {<bold>y</bold><sub><italic>m</italic></sub>} are two real-valued vector stochastic processes that are jointly wide-sense stationary (i.e., a simultaneous time shift of both processes will not change their first and second order statistics). We define the cross-covariance (recall that <inline-formula><mml:math id="M166"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02329;</mml:mo> <mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">x</mml:mi></mml:mstyle> <mml:mo mathcolor="black">&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</p>
<disp-formula id="E102"><label></label><mml:math id="M167"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and the Cross-Power Spectral Density (CPSD), given by its Fourier transform</p>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0005.tif"/>
<p>Additionally, the auto-covariance is defined as <italic>R</italic><sub><bold>x</bold></sub> &#x0225C; <italic>R</italic><sub><bold>xx</bold></sub> and the corresponding Power Spectral Density (PSD) as <italic>S</italic><sub><bold>x</bold></sub> &#x0225C; <italic>S</italic><sub><bold>xx</bold></sub>. Also, note that <italic>R</italic><sub><bold>yx</bold></sub>(<italic>k</italic>) &#x0003D; <italic>R</italic><sub><bold>xy</bold></sub><sup>&#x022A4;</sup>(&#x02212;<italic>k</italic>) and so <italic>S</italic><sub><bold>yx</bold></sub>(<italic>k</italic>) &#x0003D; <italic>S</italic><sub><bold>xy</bold></sub><sup>&#x022A4;</sup>(&#x02212;&#x003C9;).</p>
<p>Suppose now that {<bold>y</bold><sub><italic>m</italic></sub>} is generated from a process {<bold>x</bold><sub><italic>m</italic></sub>} using a linear system: i.e., if the Fourier transform <italic>x</italic>(&#x003C9;) &#x0225C; &#x02211;<sup>&#x0221E;</sup><sub><italic>k</italic> &#x0003D; &#x02212;&#x0221E;</sub> <italic>x</italic><sub><italic>k</italic></sub><italic>e</italic><sup>&#x02212;<italic>i</italic>&#x003C9;<italic>k</italic></sup> exists, then in the frequency domain</p>
<disp-formula id="E103"><mml:math id="M168"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>H</bold>(&#x003C9;) is a matrix-valued &#x0201C;transfer&#x0201D; function. Therefore, under some regularity conditions (allowing us to switch the order of integration end expectation),</p>
<disp-formula id="E104"><label>(90)</label><mml:math id="M169"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>And similarly</p>
<disp-formula id="E105"><label>(91)</label><mml:math id="M170"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where in the second equality here we used an almost identical derivation as for <italic>S</italic><sub><bold>xy</bold></sub>(&#x003C9;).</p>
<p>Note that if instead</p>
<disp-formula id="E106"><mml:math id="M171"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>x</bold> and <bold>z</bold> are two uncorrelated signals, then we can write</p>
<disp-formula id="E107"><mml:math id="M172"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E108"><mml:math id="M173"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus Equations (90) and (91), respectively give</p>
<disp-formula id="E109"><label>(92)</label><mml:math id="M174"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E110"><label>(93)</label><mml:math id="M175"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>4.4.2. The second order statistics of our system</title>
<p>Previously, we derived Equations (11, 12), which describe the neuronal dynamics using a linear system, written in &#x0201C;state-space&#x0201D; form</p>
<disp-formula id="E111"><label>(94)</label><mml:math id="M176"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E112"><label>(95)</label><mml:math id="M177"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="M178"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are uncorrelated, zero mean processes with the PSDs &#x003A3;<sub><bold>n</bold></sub> &#x0225C; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><bold>D</bold> (<italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>s</italic><sub>&#x0002A;</sub>), &#x003C3;<sup>2</sup><sub><italic>e</italic></sub> &#x0003D; <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> (1 &#x02212; <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>) and <italic>S</italic><sub><italic>T</italic></sub>(&#x003C9;), respectively.</p>
<p>In order to apply Equations (92) and (93) to our system we first need to find the transfer function of the system. Applying the Fourier transform to Equations (94, 95) gives</p>
<disp-formula id="E113"><label>(96)</label><mml:math id="M179"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E114"><label>(97)</label><mml:math id="M180"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Re-arranging terms, we obtain</p>
<disp-formula id="E115"><label>(98)</label><mml:math id="M181"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E116"><label>(99)</label><mml:math id="M182"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where we denoted</p>
<disp-formula id="E117"><mml:math id="M183"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0225C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>I</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This gives the &#x0201C;closed loop&#x0201D; transfer functions of the system (including the effect of the feedback <inline-formula><mml:math id="M184"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathcolor="black" stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">&#x003C9;</mml:mi><mml:mo mathcolor="black" stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Next, combining Equations (98, 99) and Equations (92, 93) leads to explicit expressions for the PSDs and CPSDs.</p>
<disp-formula id="E118"><label>(100)</label><mml:math id="M185"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E119"><label>(101)</label><mml:math id="M186"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E120"><label>(102)</label><mml:math id="M187"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E121"><label>(103)</label><mml:math id="M188"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For low frequencies it is sometimes more convenient to use the &#x0201C;continuous-time&#x0201D; versions of the PSDs, <italic>S</italic><sub><bold>xy</bold></sub>(<italic>f</italic>) &#x0225C; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><italic>S</italic><sub><bold>xy</bold></sub>(&#x003C9;)<sub>&#x003C9; &#x0003D; 2&#x003C0; <italic>fT</italic><sub>&#x0002A;</sub></sub> for <italic>f</italic> &#x0226A; <italic>T</italic><sup>&#x02212;1</sup><sub>&#x0002A;</sub>, which are approximated by</p>
<disp-formula id="E122"><mml:math id="M189"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E123"><label>(104)</label><mml:math id="M190"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E124"><label>(105)</label><mml:math id="M191"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E125"><label>(106)</label><mml:math id="M192"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E126"><mml:math id="M193"><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>I</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and we used the fact that <bold>F</bold> &#x0003D; <bold>I</bold> &#x0002B; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><bold>A</bold> (<italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>) (Equation 72) and <bold>&#x003A3;</bold><sub><bold>n</bold></sub> &#x0003D; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><bold>D</bold> (<italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>, <bold>s</bold><sub>&#x0002A;</sub>) (Equation 77).</p>
<p>Note that if the dimension of <bold>s</bold> is finite and there is no degeneracy, we can always write</p>
<disp-formula id="E127"><label>(107)</label><mml:math id="M194"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003BB;<sub><italic>i</italic></sub>, the poles of <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>), are determined solely by the poles of <bold>H</bold><sub><italic>c</italic></sub>(<italic>f</italic>) and <italic>S</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>f</italic>), while all the other parameters in Equation (106) affect only the constants <italic>c</italic><sub><italic>j</italic></sub>. Commonly, <italic>S</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>f</italic>) has no poles &#x02013; for example, if <italic>S</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>f</italic>) is constant so <italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> is a renewal process (e.g., the stimulation is periodic or Poisson). Therefore all poles of <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) (or the other PSDs) are determined by <bold>H</bold><sub><italic>c</italic></sub>(<italic>f</italic>), i.e., &#x003BB;<sub><italic>j</italic></sub> are the roots of the characteristic polynomial</p>
<disp-formula id="E128"><label>(108)</label><mml:math id="M195"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>I</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>A</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>4.4.3. Spectral factorization</title>
<p>Equations (96) and (97) can be re-arranged as a <italic>direct</italic> I/O relation, formulated, for convenience, in the frequency domain (this can be either <italic>f</italic> or &#x003C9; &#x02013; in the section we use &#x003C9; for brevity of notation, and <italic>f</italic> in other places). Specifically, this relation is of the form</p>
<disp-formula id="E129"><label>(109)</label><mml:math id="M196"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so <italic>v</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; <graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0007.tif"/><sup>&#x02212;1</sup> (<italic>v</italic>(&#x003C9;)) is a single <bold>scalar</bold> &#x0201C;noise&#x0201D; process with zero mean and PSD &#x003C3;<sup>2</sup><sub><italic>v</italic></sub> (here <graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0007.tif"/><sup>&#x02212;1</sup> is the inverse Fourier transform). This <italic>v</italic><sub><italic>m</italic></sub> process combines the contributions of <italic>e</italic><sub><italic>m</italic></sub> and <bold>n</bold><sub><italic>m</italic></sub>, which are the noise processes in the original system (in Equations 96, 97). Such a description, as in Equation (109), describes concisely the contributions of the input and noise to the output (an ARMAx model Lejung, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1999</xref>). Using 92 and 93 we respectively find that</p>
<disp-formula id="E130"><label>(110)</label><mml:math id="M197"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E131"><label>(111)</label><mml:math id="M198"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Comparing Equation (102) with (110) we obtain</p>
<disp-formula id="E132"><label>(112)</label><mml:math id="M199"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Comparing Equation (103) with (111), while using Equation (112), will yield the equation</p>
<disp-formula id="E133"><label>(113)</label><mml:math id="M200"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This is a &#x0201C;spectral factorization&#x0201D; problem (Anderson and Moore, <xref ref-type="bibr" rid="B1">1979</xref>), with solution</p>
<disp-formula id="E134"><label>(114)</label><mml:math id="M201"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E135"><label>(115)</label><mml:math id="M202"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E136"><label>(116)</label><mml:math id="M203"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with <bold>P</bold> the solution of</p>
<disp-formula id="E137"><label>(117)</label><mml:math id="M204"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>derived from the general discrete-time algebraic Riccati equation. This can be verified by substitution</p>
<disp-formula id="E138"><mml:math id="M205"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle></mml:msub><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mover><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow> </mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow> </mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>I</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>I</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow> </mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>o</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>=&#x000A0;&#x000A0;0</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where in (1) we used the fact that <bold>w</bold><sup>&#x022A4;</sup> <bold>H</bold><sub><italic>c</italic></sub>(&#x003C9;) &#x0003D; <bold>w</bold><sup>&#x022A4;</sup> <bold>H</bold><sub><italic>o</italic></sub>(&#x003C9;) (1 &#x02212; <bold>w</bold><sup>&#x022A4;</sup> <bold>H</bold><sub><italic>o</italic></sub>(&#x003C9;) <bold>a</bold>)<sup>&#x02212;1</sup> from the Sherman&#x02013;Morrison lemma, with <bold>H</bold><sub><italic>o</italic></sub>(&#x003C9;) &#x0003D; (<italic>e</italic><sup><italic>i</italic>&#x003C9;</sup> <bold>I</bold> &#x02212; <bold>F</bold>)<sup>&#x02212;1</sup> being the &#x0201C;open loop&#x0201D; version of <bold>H</bold><sub><italic>c</italic></sub>(&#x003C9;) (i.e., if <bold>a</bold> was zero), and in (2) we used the fact that <bold>H</bold><sub><italic>o</italic></sub>(&#x003C9;) &#x0003D; <italic>e</italic><sup>&#x02212;<italic>i</italic>&#x003C9;</sup>(<bold>FH</bold><sub><italic>o</italic></sub>(&#x003C9;) &#x0002B; <bold>I</bold>).</p>
</sec>
<sec>
<title>4.4.4. Optimal linear estimation of linear systems</title>
<p>Given that the neuronal dynamics are given by the linear system in Equations (96, 97), there are two different estimation problems one may be interested in. We may want to estimate, based on the history of the previous inputs and outputs <inline-formula><mml:math id="M206"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, either the <italic>parameters</italic> of the model (<bold>F, w, a, d</bold>, &#x003C3;<sub><italic>e</italic></sub> and &#x003A3;<sub><bold>n</bold></sub>), or the <italic>variables</italic> in the model (<inline-formula><mml:math id="M207"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M208"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The first problem is generally termed a &#x0201C;system identification&#x0201D; problem (Lejung, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1999</xref>), while the second is a &#x0201C;filtering&#x0201D; (or prediction) problem (Anderson and Moore, <xref ref-type="bibr" rid="B1">1979</xref>). Both are intimately related, and sometimes the solution of the second problem can yield a method of solving the first problem (e.g., section 3.3 in Anderson and Moore, <xref ref-type="bibr" rid="B1">1979</xref>).</p>
<p>A relatively simple way to approach the second (filtering) problem involves the output decomposition we have found in section 4.4.3</p>
<disp-formula id="E139"><mml:math id="M209"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Using this decomposition we can now write a new state-space representation for the system in terms of new state variable <inline-formula><mml:math id="M210"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</p>
<disp-formula id="E140"><mml:math id="M211"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which has the same output in the frequency domain (recall, from linear systems theory, that a single I/O relation can be generated by multiple state space realizations). This &#x0201C;innovation form&#x0201D; is particularly useful, since, given the entire history of the previous inputs and outputs <inline-formula><mml:math id="M212"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">&#x0225C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathcolor="black">,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">k</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can recursively estimate the current state precisely (with zero error) (Anderson and Moore, <xref ref-type="bibr" rid="B1">1979</xref>)</p>
<disp-formula id="E141"><label>(118)</label><mml:math id="M213"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>a</mml:mi></mml:mstyle><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Given this precise estimate of <inline-formula><mml:math id="M214"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the best linear estimate of <inline-formula><mml:math id="M215"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is simply</p>
<disp-formula id="E142"><mml:math id="M216"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and the estimation error is simply</p>
<disp-formula id="E143"><mml:math id="M217"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Since both the innovation form and the original form have the same second order statistics for the input&#x02013;output, the optimal linear estimator (and its error) for <inline-formula><mml:math id="M218"><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the original system would be the same. Moreover, one can show (Anderson and Moore, <xref ref-type="bibr" rid="B1">1979</xref>) that Equation (118) will also give the optimal linear estimate of <inline-formula><mml:math id="M219"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the original system, and with error <bold>P</bold> (Equation 117). This solution is the well-known &#x0201C;Kalman filter.&#x0201D;</p>
</sec>
<sec>
<title>4.4.5. Example &#x02013; HHS model power spectral densities</title>
<p>Substituting the parameters for the linearized map (Equations 85&#x02013;89) into the expressions for the power-spectral densities (Equations 104&#x02013;106), gives</p>
<disp-formula id="E144"><label>(119)</label><mml:math id="M220"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E145"><label>(120)</label><mml:math id="M221"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E146"><label>(121)</label><mml:math id="M222"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Note that when <italic>S</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>f</italic>) &#x02261; 0 (i.e., periodical spike stimulus), <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) has the shape of high pass filter (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3B</xref>, <italic>top</italic>). In contrast, <italic>S</italic><sub><italic>s</italic></sub>(<italic>f</italic>) (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3B</xref>, <italic>bottom</italic>) and <italic>S</italic><sub><italic>YT</italic></sub>(<italic>f</italic>) both have the shape of a low pass filter (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3D</xref>, <italic>top</italic>). From Equations (111) and (110) we know that <italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) &#x0003D; |<italic>H</italic><sup>int</sup>(<italic>f</italic>)|<sup>2</sup>&#x003C3;<sup>2</sup><sub><italic>v</italic></sub> and <italic>S</italic><sub><italic>YT</italic></sub>(<italic>f</italic>) &#x0003D; <italic>H</italic><sup>ext</sup>(<italic>f</italic>)<italic>S</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>f</italic>), respectively. Therefore, this indicates that <italic>H</italic><sup>int</sup>(<italic>f</italic>) and <italic>H</italic><sup>ext</sup>(<italic>f</italic>) are high pass and low pass filters, respectively.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.4.6. Power spectral densities of response features</title>
<p>So far we have concentrated on the PSD of the response <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub>. However, it is easy to extend our formalism to derive the PSDs of different features of the AP, such as its latency or amplitude. We exemplify this on the latency. In Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) we showed (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>) that for deterministic CBMs, the latency of the AP generated in response to the <italic>m</italic>-th stimulation can be written as a function of the excitability <italic>L</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; <italic>L</italic> (<bold>s</bold><sub><italic>m</italic></sub>). In a stochastic model, we have instead</p>
<disp-formula id="E147"><mml:math id="M223"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>not&#x000A0;defined&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow> </mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003D5;<sub><italic>m</italic></sub> is a zero mean, white noise process generated by the stochasticity of the rapid system. Since it is problematic to define the PSD of <italic>L</italic><sub><italic>m</italic></sub> if sometimes <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; 0, we focus on the case that <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 1, so we always have <italic>Y</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; 1. In this case, assuming again that the perturbations in <inline-formula><mml:math id="M224"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black" stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are small, we can linearize</p>
<disp-formula id="E148"><mml:math id="M225"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>l</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>l</bold> &#x0003D; &#x02207;<italic>L</italic> (<bold>s</bold>)<sub><bold>s</bold> &#x0003D; <bold>s</bold><bold><sub>&#x0002A;</sub></bold></sub>, to obtain (using Equation 11)</p>
<disp-formula id="E149"><label>(122)</label><mml:math id="M226"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>F</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>n</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E150"><label>(123)</label><mml:math id="M227"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>l</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>s</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where he <bold>F</bold> &#x0003D; <bold>I</bold> &#x0002B; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub><bold>A</bold> (1, <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>). Therefore, it is straightforward to show that the PSD of the latency is</p>
<disp-formula id="E151"><label>(124)</label><mml:math id="M228"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>l</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>l</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02217;</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003C3;<sup>2</sup><sub>&#x003D5;</sub> &#x0003D; &#x02329;&#x003D5;<sup>2</sup><sub><italic>m</italic></sub>&#x0232A;. Note that if latency is a good indicator of excitability, i.e., <bold><italic>L</italic> (<bold>s</bold>)</bold> changes similarly to <italic>p</italic> (<bold>s</bold>) so that <bold>l</bold> &#x0221D; <bold>w</bold>, then <italic>S</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>f</italic>) &#x0003D; <italic>c</italic><sub>1</sub><italic>S</italic><sub><italic>Y</italic></sub>(<italic>f</italic>) &#x0002B; <italic>c</italic><sub>2</sub> for some constants <italic>c</italic><sub>1</sub>, <italic>c</italic><sub>2</sub>, when the input is periodic (<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>) and <italic>p</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x02192; 1.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>4.5. Numerical tests</title>
<p>MATLAB (2010b) code is available on the ModelDB website, with accession number 144993. In all the numerical simulations of the full stochastic Biophysical neuron model we used Equations (1&#x02013;3) in main text. We used first order Euler&#x02013;Maruyama integration with a time step of <italic>dt</italic> &#x0003D; 5 &#x003BC;s (quantitative results were verified also at <italic>dt</italic> &#x0003D; 0.5 &#x003BC;s). Each stimulation pulse was given as a square pulse with a width of <italic>t</italic><sub>stim</sub> &#x0003D; 0.5 ms and amplitude <italic>I</italic><sub>0</sub> (which were respectively named <italic>t</italic><sub>0</sub> and <italic>I</italic><sub>0</sub> in Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). The results are not affected qualitatively by our choice of a square pulse shape. We define an AP to have occurred if, after the stimulation pulse was given, the measured voltage has crossed some threshold <italic>V</italic><sub>th</sub> (we use <italic>V</italic><sub>th</sub> &#x0003D; &#x02212;10 mV in all cases). In all cases where direct stimulation is given, unless stated otherwise, we used periodic stimulation with <italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 7.9 &#x003BC;A and <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 50 ms. Note that for the parameter values used, no APs are spontaneously generated, consistently with experimental results (Gal et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>).</p>
<p>The PSDs were estimated using the Welch method and averaged over eight windows, unless 1/f behavior was observed, in which case we used a single window instead, since long term correlations may generate bias if averaging is used (Beran, <xref ref-type="bibr" rid="B5">1994</xref>). Numerical estimation of the cross-PSD is more problematic. When estimating cross-spectra, estimation noise level can be quite high (proportional to the inverse coherence, according to Bendat and Piersol, <xref ref-type="bibr" rid="B3">2000</xref>, p. 321). To estimate the level of estimation noise, we estimate the cross-spectrum with the input randomly shuffled (Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref>). Since in this case there is no input&#x02013;output correlation, this new estimate is pure noise. Finally, as suggested by the reviewer, we smoothed the resulting PSD (or cross-PSD) in all figures (except in Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref>, where we aimed to show the level of estimation noise). To achieve uniform variance with low bias, we divided the spectrum into 30 logarithmically spaced segments from <italic>f</italic> &#x0003D; 10<sup>&#x02212;3</sup> Hz to the maximal frequency (<italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub>/2). In each segment <italic>n</italic> the PSD (or cross-PSD) was smoothed using a window of size <italic>n</italic>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p><bold>Estimation noise in the cross-power spectral density</bold>. To estimate the level of this noise in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3D</xref>, we added <inline-formula><mml:math id="M229"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">f</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M230"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathcolor="black">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow> <mml:mo mathcolor="black">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a shuffled version of {<italic>T</italic><sub><italic>m</italic></sub>}. Only when the estimated <italic>S</italic><sub><italic>YT</italic></sub>(<italic>f</italic>) is above <inline-formula><mml:math id="M231"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">Y</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">T</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">(</mml:mo><mml:mi mathcolor="black">f</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is its estimation valid. Therefore, in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3D</xref> we show only this region (left of dashed black line), where estimation is valid.</p></caption>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-g0008.tif"/>
</fig>
<p>Next, we describe the models used Figures <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>&#x02013;<xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> and provide their parameter values. These models have either been studied in the literature or are extensions of such models, which are meant to explore the limit for the validity of our analytic approximations. In all cases where direct stimulation is given, unless stated otherwise, we use periodic stimulation with <italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 7.9 &#x003BC;A and <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 50 ms. Notice the form of the models is given in the (more popular) compressed formalism (section 4.1.1), which employs the normalization of state occupation probability to reduce the dimensionality of equations of Equations (2, 3) in the main text.</p>
<sec>
<title>4.5.1. The HHS model</title>
<p>The HHS model combines the Hodgkin&#x02013;Huxley equations (Hodgkin and Huxley, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1952</xref>) with slow sodium inactivation (Chandler and Meves, <xref ref-type="bibr" rid="B7">1970</xref>; Fleidervish et al., <xref ref-type="bibr" rid="B17">1996</xref>). The model equations (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>), which employ the uncoupled stochastic noise approximation, are</p>
<disp-formula id="E152"><mml:math id="M232"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>C</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent='true'><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent='true'><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Most of the parameters are given their original values (as in Hodgkin and Huxley, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1952</xref>; Fleidervish et al., <xref ref-type="bibr" rid="B17">1996</xref>):</p>
<disp-formula id="E153"><mml:math id="M233"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>50</mml:mn><mml:mtext>mV</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>77</mml:mn><mml:mtext>mV</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>54</mml:mn><mml:mtext>mV</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>120</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>36</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>55</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>55</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>kHz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.125</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>65</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>80</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>kHz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>40</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>40</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>kHz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>65</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>18</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>kHz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.07</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>65</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>kHz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>35</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>kHz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where in all the rate functions <italic>V</italic> is used in units of mV. In order to obtain the specific spike shape and the latency transients observed in cortical neurons, some of the parameters were modified to</p>
<disp-formula id="E154"><label>(125)</label><mml:math id="M234"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mtext>F</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>cm</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.51</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.3</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>17</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>Hz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>85</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>Hz</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We emphasize that these specific choices do not affect any of our general arguments, but were chosen for consistency with experimental results (Gal et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2010</xref>). Estimates of channel number vary greatly (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). For simplicity, we chose <italic>N</italic> &#x0003D; <italic>N</italic><sub><italic>n</italic></sub> &#x0003D; <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub> &#x0003D; <italic>N</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; <italic>N</italic><sub><italic>s</italic></sub>, and unless stated otherwise, we chose, by default <italic>N</italic> &#x0003D; 10<sup>6</sup>, as in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>). Note that the HHS model is the same model presented in the paper with <italic>M</italic> &#x0003D; 1, &#x003D5;<sub><italic>s</italic>,1</sub> &#x0003D; 1, <italic>N</italic><sub><italic>s</italic>,1</sub> &#x0003D; <italic>N, N</italic><sub><italic>r, j</italic></sub> &#x0003D; <italic>N</italic> and &#x003D5;<sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; &#x003D5;.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.5.2. The coupled HHS model</title>
<p>The coupled version of the HHS model uses the same parameters as the uncoupled version, and a similar voltage equation</p>
<disp-formula id="E155"><mml:math id="M235"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>C</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where the variables <italic>n</italic><sub>0</sub> and <italic>s</italic><sub>0</sub><italic>m</italic><sub>0</sub><italic>h</italic><sub>0</sub> describe the respective fraction of potassium and sodium channels residing in the &#x0201C;open&#x0201D; state. To obtain the coupled model equations, we need to assume something about the structure of the ion channels. The original assumption by Hodgkin and Huxley was that the channel subunits (e.g., <italic>m, n</italic> and <italic>h</italic>) are independent. Over the years, it became apparent that this assumption is inaccurate, and the sodium channel kinetic subunits are, in fact, not independent (Ulbricht, <xref ref-type="bibr" rid="B63">2005</xref>). However, it is not yet clear how the slow sodium inactivation is coupled to the rapid channel kinetics (e.g., Menon et al., <xref ref-type="bibr" rid="B41">2009</xref>; Milescu et al., <xref ref-type="bibr" rid="B43">2010</xref>), so we nevertheless used the original naive HH model assumption that the subunits are independent. In that case the potassium channel structure is given by (for brevity, the voltage dependence on the rates is henceforth ignored for this model)</p>
<disp-formula id="E156"><mml:math id="M236"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x021CC;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x021CC;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x021CC;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x021CC;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>while for the sodium channel it is described by</p>
<graphic xlink:href="fncom-08-00029-i0006.tif"/>
<p>In this diagram, transition rates indicated between two boxed regions, imply that the same rates are used between all corresponding states in boxed regions. The corresponding 32 SDEs are derived using the method described in Orio and Soudry (<xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>) (or 30 equations if we use the compressed formalism). In this model we used <italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 8.3 &#x003BC;A.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.5.3. The HHSTM model</title>
<p>In order to investigate the effect of a more &#x0201C;physiological&#x0201D; stimulation, we changed the HHS model and added synapses. We used the popular Tsodyks&#x02013;Markram model for the effect of a synapse with short-term-depression on the somatic voltage (the model first appeared in Tsodyks and Markram (<xref ref-type="bibr" rid="B61">1997</xref>) and was slightly corrected in Tsodyks et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B62">1998</xref>)). In the model <italic>x, y</italic> and <italic>z</italic> are the fractions of resources in the recovered, active and inactive states respectively, interacting through the system</p>
<disp-formula id="E157"><label>(126)</label><mml:math id="M237"><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02198;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mo>&#x02190;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Here the <italic>z</italic> &#x02192; <italic>x</italic> rate is &#x003C4;<sup>&#x02212;1</sup><sub>rec</sub>, the <italic>x</italic> &#x02192; <italic>y</italic> rate is &#x003C4;<sup>&#x02212;1</sup><sub>in</sub>, and the <italic>x</italic> &#x02192; <italic>y</italic> rate is <italic>U</italic><sub><italic>SE</italic></sub>&#x003B4;(<italic>t</italic> &#x02212; <italic>t</italic><sub><italic>sp</italic></sub>), where &#x003B4;(&#x000B7;) is the Dirac delta function, and <italic>t</italic><sub><italic>sp</italic></sub> is the pre-synaptic spike arrival time. The post-synaptic current is given by <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>A</italic><sub><italic>SE</italic></sub><italic>y</italic>(<italic>t</italic>) where <italic>A</italic><sub><italic>SE</italic></sub> is a parameter. Additionally, we added noise to the model using the coupled SDE method (Orio and Soudry, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2012</xref>), assuming that the diagram in Equation (126), with the corresponding rates, hint at the underlying Markov kinetic structure, with <italic>N</italic> &#x0003D; 10<sup>6</sup>. As in Figure 1B of Tsodyks and Markram (<xref ref-type="bibr" rid="B61">1997</xref>), we used &#x003C4;<sub>in</sub> &#x0003D; 3 ms, &#x003C4;<sub>rec</sub> &#x0003D; 800 ms and <italic>U</italic><sub><italic>SE</italic></sub> &#x0003D; 0.67. Additionally, we set <italic>A</italic><sub><italic>SE</italic></sub> &#x0003D; 70 &#x003BC;A to obtain an AP response in our model.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.5.4. The HHMS model</title>
<p>The HHMS model consists of many sodium currents, each with a different slow kinetic variable. The equations are identical to the HHS model, except that <overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>Na</italic></sub><italic>s</italic> is replaced by <overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>Na</italic></sub><italic>M</italic><sup>&#x02212;1</sup> &#x02211; <sup><italic>M</italic></sup><sub><italic>i</italic>&#x0003D;1</sub> <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub>, where <italic>s</italic><sub>1</sub> has the same equation as <italic>s</italic> in the HHS model, and for <italic>i</italic> &#x0003E; 2,</p>
<disp-formula id="E158"><mml:math id="M238"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with &#x003D5;<sub><italic>s, i</italic></sub> &#x0003D; &#x003F5;<sup><italic>i</italic></sup> and <italic>N</italic><sub><italic>s, i</italic></sub> &#x0003D; <italic>N</italic><sub>0</sub>&#x003F5;<sup><italic>i</italic>&#x003B7;</sup>, where &#x003B3; (<italic>V</italic>) and &#x003B4; (<italic>V</italic>) are taken from the HHS model. Unless mentioned otherwise, we chose as default &#x003F5; &#x0003D; 0.2, &#x003B7; &#x0003D; 1.5, <italic>M</italic> &#x0003D; 5, and <italic>N</italic><sub>0</sub> &#x0003D; <italic>N</italic> as in Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.5.5. The multiplicative hhms model</title>
<p>The Multiplicative HHMS model is identical to the HHMS model with &#x003B7; &#x0003D; 1, except that <inline-formula><mml:math id="M239"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">g</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">N</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathcolor="black">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo mathcolor="black">&#x02212;</mml:mo><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">M</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is replaced with <inline-formula><mml:math id="M240"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi mathcolor="black">g</mml:mi><mml:mo mathcolor="black">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">N</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msubsup><mml:mo mathcolor="black">&#x0220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo mathcolor="black">=</mml:mo><mml:mstyle class="text" mathcolor="black"><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn mathcolor="black">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathcolor="black">M</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathcolor="black">s</mml:mi><mml:mi mathcolor="black">i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.5.6. The HHSIP model</title>
<p>The HHSIP model equations (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) are identical to the HHS model equations, except that <italic>s</italic> is renamed to <italic>s</italic><sub>1</sub> and an Inactivating Potassium current was added to the voltage equation, where</p>
<disp-formula id="E159"><mml:math id="M241"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with <overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>M</italic></sub> &#x0003D; 0.05<overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>K</italic></sub> and</p>
<disp-formula id="E160"><mml:math id="M242"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>N</italic><sub><italic>s</italic><sub>2</sub></sub> &#x0003D; <italic>N</italic> and</p>
<disp-formula id="E161"><mml:math id="M243"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3.3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>35</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>35</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>35</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>Hz</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3.3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>35</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>35</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>35</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>Hz</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Again, in all the rate functions <italic>V</italic> is used in mV units. In this model we used <italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 8.3 &#x003BC;A and <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 33 ms.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.5.7. The HHMSIP model</title>
<p>The HHMSIP model combines HHSIP and HHMS. Its equations are identical to the HHMS model with &#x003B7; &#x0003D; 2, except they also contain the <italic>I</italic><sub><italic>K</italic></sub> current from the HHSIP model. In this model we used <italic>I</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 8.3 &#x003BC;A and <italic>T</italic><sub>&#x0002A;</sub> &#x0003D; 33 ms, unless otherwise specified.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>Conflict of interest statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p></sec>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>The authors are grateful to O. Barak, N. Brenner, Y. Elhanati, A. Gal, T. Knafo, Y. Kafri, S. Marom, and J. Schiller for insightful discussions and for reviewing parts of this manuscript. The research was partially funded by the Technion V.P.R. fund and by the Intel Collaborative Research Institute for Computational Intelligence (ICRI-CI).</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Anderson</surname> <given-names>B. D. O.</given-names></name> <name><surname>Moore</surname> <given-names>J. B.</given-names></name></person-group> (<year>1979</year>). <source>Optimal Filtering</source>, <volume>Vol. 11</volume>. <publisher-loc>Englewood Cliffs, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Prentice Hall</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bean</surname> <given-names>B. P.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>The action potential in mammalian central neurons</article-title>. <source>Nat. Rev. Neurosci</source>. <volume>8</volume>, <fpage>451</fpage>&#x02013;<lpage>465</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrn2148</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17514198</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bendat</surname> <given-names>J. S.</given-names></name> <name><surname>Piersol</surname> <given-names>A. G.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <source>Random Data Analysis and Measurement Procedures</source>, <publisher-loc>Vol. 11</publisher-loc>, <edition>3rd edn</edition>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Beran</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1992</year>). <article-title>A goodness-of-fit test for time series with long range dependence</article-title>. <source>J. R. Stat. Soc. Ser. B</source> <volume>54</volume>, <fpage>749</fpage>&#x02013;<lpage>760</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Beran</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1994</year>). <source>Statistics for Long-Memory Processes</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Chapman &#x00026; Hall</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Brecht</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Schneider</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Sakmann</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Margrie</surname> <given-names>T. W.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Whisker movements evoked by stimulation of single pyramidal cells in rat motor cortex</article-title>. <source>Nature</source> <volume>427</volume>, <fpage>704</fpage>&#x02013;<lpage>710</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature02266</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">14973477</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chandler</surname> <given-names>W. K.</given-names></name> <name><surname>Meves</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>1970</year>). <article-title>Slow changes in membrane permeability and long-lasting action potentials in axons perfused with fluoride solutions</article-title>. <source>J. Physiol</source>. <volume>211</volume>, <fpage>707</fpage>&#x02013;<lpage>728</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">5501058</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><collab>Channelpedia</collab></person-group>. Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://channelpedia.epfl.ch/">http://channelpedia.epfl.ch/</ext-link></citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Colquhoun</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Hawkes</surname> <given-names>A. G.</given-names></name></person-group> (<year>1981</year>). <article-title>On the stochastic properties of single ion channels</article-title>. <source>Proc. R. Soc. Lond. Ser. B Biol. Sci</source>. <volume>211</volume>, <fpage>205</fpage>&#x02013;<lpage>235</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspb.1981.0003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">6111797</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Contou-Carrere</surname> <given-names>M. N.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Model reduction of multi-scale chemical Langevin equations</article-title>. <source>Syst. Control Lett</source>. <volume>60</volume>, <fpage>75</fpage>&#x02013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.sysconle.2010.10.011</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>De Col</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Messlinger</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Carr</surname> <given-names>R. W.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Conduction velocity is regulated by sodium channel inactivation in unmyelinated axons innervating the rat cranial meninges</article-title>. <source>J. Physiol</source>. <volume>586</volume>, <fpage>1089</fpage>&#x02013;<lpage>1103</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1113/jphysiol.2007.145383</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18096592</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>De Paola</surname> <given-names>V.</given-names></name> <name><surname>Holtmaat</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Knott</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Song</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Wilbrecht</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Caroni</surname> <given-names>P.</given-names></name> <etal/></person-group>. (<year>2006</year>). <article-title>Cell type-specific structural plasticity of axonal branches and boutons in the adult neocortex</article-title>. <source>Neuron</source> <volume>49</volume>, <fpage>861</fpage>&#x02013;<lpage>875</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neuron.2006.02.017</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16543134</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Debanne</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Campanac</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Bialowas</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Carlier</surname> <given-names>E.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Axon physiology</article-title>. <source>Physiol. Rev</source>. <volume>91</volume>, <fpage>555</fpage>&#x02013;<lpage>602</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/physrev.00048.2009</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21527732</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Druckmann</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Berger</surname> <given-names>T. K.</given-names></name> <name><surname>Sch&#x000FC;rmann</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Hill</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Markram</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Segev</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Effective stimuli for constructing reliable neuron models</article-title>. <source>PLoS Comput. Biol</source>. <volume>7</volume>:<fpage>e1002133</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1002133</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21876663</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Elul</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Adey</surname> <given-names>W. R.</given-names></name></person-group> (<year>1966</year>). <article-title>Instability of firing threshold and &#x0201C;remote&#x0201D; activation in cortical neurons</article-title>. <source>Nature</source> <volume>212</volume>, <fpage>1424</fpage>&#x02013;<lpage>1425</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/2121424a0</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21090405</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ermentrout</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Terman</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <source>Mathematical Foundations of Neuroscience</source>, <volume>Vol. 35</volume>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-0-387-87708-2</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fleidervish</surname> <given-names>I. A.</given-names></name> <name><surname>Friedman</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Gutnick</surname> <given-names>M. J.</given-names></name></person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Slow inactivation of Na&#x0002B; current and slow cumulative spike adaptation in mouse and guinea-pig neocortical neurones in slices</article-title>. <source>J. Physiol</source>. <volume>493</volume>, <fpage>83</fpage>&#x02013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">8735696</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fox</surname> <given-names>R. F.</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>Y. N.</given-names></name></person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Emergent collective behavior in large numbers of globally coupled independently stochastic ion channels</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>49</volume>, <fpage>3421</fpage>&#x02013;<lpage>3431</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.49.3421</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9961610</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gal</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Eytan</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Wallach</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Sandler</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Schiller</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Marom</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Dynamics of excitability over extended timescales in cultured cortical neurons</article-title>. <source>J. Neurosci</source>. <volume>30</volume>, <fpage>16332</fpage>&#x02013;<lpage>16342</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1523/JNEUROSCI.4859-10.2010</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21123579</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gal</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Marom</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Entrainment of the intrinsic dynamics of single isolated neurons by natural-like input</article-title>. <source>J. Neurosci</source>. <volume>33</volume>, <fpage>7912</fpage>&#x02013;<lpage>7918</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1523/JNEUROSCI.3763-12.2013</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23637182</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gardiner</surname> <given-names>C. W.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <source>Handbook of Stochastic Methods</source>, <edition>3rd edn</edition>. <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-662-05389-8</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gerstner</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Naud</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>How good are neuron models?</article-title> <source>Science</source> <volume>326</volume>, <fpage>379</fpage>&#x02013;<lpage>380</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1181936</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19833951</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goldwyn</surname> <given-names>J. H.</given-names></name> <name><surname>Imennov</surname> <given-names>N. S.</given-names></name> <name><surname>Famulare</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Shea-Brown</surname> <given-names>E.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Stochastic differential equation models for ion channel noise in Hodgkin-Huxley neurons</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>83</volume>, <fpage>041908</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.83.041908</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21599202</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goldwyn</surname> <given-names>J. H.</given-names></name> <name><surname>Rubinstein</surname> <given-names>J. T.</given-names></name> <name><surname>Shea-Brown</surname> <given-names>E.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>A point process framework for modeling electrical stimulation of the auditory nerve</article-title>. <source>J. Neurophysiol</source>. <volume>108</volume>, <fpage>1430</fpage>&#x02013;<lpage>1452</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jn.00095.2012</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22673331</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Grubb</surname> <given-names>M. S.</given-names></name> <name><surname>Burrone</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Activity-dependent relocation of the axon initial segment fine-tunes neuronal excitability</article-title>. <source>Nature</source> <volume>465</volume>, <fpage>1070</fpage>&#x02013;<lpage>1074</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature09160</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20543823</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hille</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>2001</year>). <source>Ion Channels of Excitable Membranes</source>, <edition>3rd edn</edition>. <publisher-loc>Sunderland, MA</publisher-loc>: <publisher-name>Sinauer Associates</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hodgkin</surname> <given-names>A. L.</given-names></name> <name><surname>Huxley</surname> <given-names>A. F.</given-names></name></person-group> (<year>1952</year>). <article-title>A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve</article-title>. <source>J. Physiol</source>. <volume>117</volume>, <fpage>500</fpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">12991237</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Huys</surname> <given-names>Q. J. M.</given-names></name> <name><surname>Ahrens</surname> <given-names>M. B.</given-names></name> <name><surname>Paninski</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Efficient estimation of detailed single-neuron models</article-title>. <source>J. Neurophysiol</source>. <volume>96</volume>, <fpage>872</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jn.00079.2006</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16624998</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ikegaya, Y, Sasaki</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Ishikawa</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Honma</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Tao</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takahashi</surname> <given-names>N.</given-names></name> <etal/></person-group>. (<year>2012</year>). <article-title>Interpyramid spike transmission stabilizes the sparseness of recurrent network activity</article-title>. <source>Cereb. Cortex</source> <volume>23</volume>, <fpage>293</fpage>&#x02013;<lpage>304</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/cercor/bhs006</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22314044</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jugloff</surname> <given-names>D. G. M.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Internalization of the Kv1.4 potassium channel is suppressed by clustering interactions with PSD-95</article-title>. <source>J. Biol. Chem</source>. <volume>275</volume>, <fpage>1357</fpage>&#x02013;<lpage>1364</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1074/jbc.275.2.1357</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10625685</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kaplan</surname> <given-names>D. T.</given-names></name> <name><surname>Clay</surname> <given-names>J. R.</given-names></name> <name><surname>Manning</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Glass</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Guevara</surname> <given-names>M. R.</given-names></name> <name><surname>Shrier</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Subthreshold dynamics in periodically stimulated squid giant axons</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett</source>. <volume>76</volume>, <fpage>4074</fpage>&#x02013;<lpage>4077</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.76.4074</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10061185</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kasischke</surname> <given-names>K. A.</given-names></name> <name><surname>Vishwasrao</surname> <given-names>H. D. D.</given-names></name> <name><surname>Fisher</surname> <given-names>P. J.</given-names></name> <name><surname>Zipfel</surname> <given-names>W. R.</given-names></name> <name><surname>Webb</surname> <given-names>W. W.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Neural activity triggers neuronal oxidative metabolism followed by astrocytic glycolysis</article-title>. <source>Science (New York, N.Y.)</source> <volume>305</volume>, <fpage>99</fpage>&#x02013;<lpage>103</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1096485</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15232110</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Keshner</surname> <given-names>M. S.</given-names></name></person-group> (<year>1982</year>). <article-title>1/f noise</article-title>. <source>Proc. IEEE</source> <volume>70</volume>, <fpage>212</fpage>&#x02013;<lpage>218</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/PROC.1982.12282</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Koch</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Segev</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>1989</year>). <source>Methods in Neuronal Modeling: From Ions to Networks</source>, <volume>Vol. 484</volume>, <edition>2nd edn</edition>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>MIT Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Koml&#x000F3;si</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Moln&#x000E1;r</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>R&#x000F3;zsa</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Ol&#x000E1;h</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Barz&#x000F3;</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Tam&#x000E1;s</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Fluoxetine (prozac) and serotonin act on excitatory synaptic transmission to suppress single layer 2/3 pyramidal neuron-triggered cell assemblies in the human prefrontal cortex</article-title>. <source>J. Neurosci</source>. <volume>32</volume>, <fpage>16369</fpage>&#x02013;<lpage>16378</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1523/JNEUROSCI.2618-12.2012</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23152619</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lejung</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <source>System Identification: Theory for the User</source>. <publisher-loc>Upper Saddle River, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>PTR Prentice Hall</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Levitan</surname> <given-names>I. B.</given-names></name></person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Modulation of ion channels by protein phosphorylation and dephosphorylation</article-title>. <source>Annu. Rev. Physiol</source>. <volume>11</volume>, <fpage>193</fpage>&#x02013;<lpage>212</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev.ph.56.030194.001205</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">7516643</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Li</surname> <given-names>C. Y. T.</given-names></name> <name><surname>Poo</surname> <given-names>M. M.</given-names></name> <name><surname>Y D.</surname></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Burst spiking of a single cortical neuron modifies global brain state</article-title>. <source>Science</source> <volume>324</volume>, <fpage>643</fpage>&#x02013;<lpage>646</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1169957</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19407203</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Linaro</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Storace</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Mattia</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Inferring network dynamics and neuron properties from population recordings</article-title>. <source>Front. Comput. Neurosci</source>. <volume>5</volume>:<issue>43</issue>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fncom.2011.00043</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22016731</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Marom</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Neural timescales or lack thereof</article-title>. <source>Prog. Neurobiol</source>. <volume>90</volume>, <fpage>16</fpage>&#x02013;<lpage>28</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.pneurobio.2009.10.003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19836433</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Menon</surname> <given-names>V.</given-names></name> <name><surname>Spruston</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Kath</surname> <given-names>W. L.</given-names></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>A state-mutating genetic algorithm to design ion-channel models</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A</source>. <volume>106</volume>, <fpage>16829</fpage>&#x02013;<lpage>16834</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0903766106</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19805381</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Migliore</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Cannia</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Lytton</surname> <given-names>W. W.</given-names></name> <name><surname>Markram</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Hines</surname> <given-names>M. L.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Parallel network simulations with NEURON</article-title>. <source>J. Comput. Neurosci</source>. <volume>21</volume>, <fpage>119</fpage>&#x02013;<lpage>129</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10827-006-7949-5</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16732488</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Milescu</surname> <given-names>L. S.</given-names></name> <name><surname>Yamanishi</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Ptak</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Smith</surname> <given-names>J. C.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Kinetic properties and functional dynamics of sodium channels during repetitive spiking in a slow pacemaker neuron</article-title>. <source>J. Neurosci</source>. <volume>30</volume>, <fpage>12113</fpage>&#x02013;<lpage>12127</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1523/JNEUROSCI.0445-10.2010</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20826674</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Moln&#x000E1;r</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Ol&#x000E1;h</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Koml&#x000F3;si</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>F&#x000FC;le</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Szabadics</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Varga</surname> <given-names>C.</given-names></name> <etal/></person-group>. (<year>2008</year>). <article-title>Complex events initiated by individual spikes in the human cerebral cortex</article-title>. <source>PLoS Biol</source>. <volume>6</volume>:<fpage>e222</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pbio.0060222</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18767905</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Monjaraz</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Navarrete</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Lopez-Santiago</surname> <given-names>L. F.</given-names></name> <name><surname>Vega</surname> <given-names>A. V.</given-names></name> <name><surname>Cota</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>L-type calcium channel activity regulates sodium channel levels in rat pituitary GH3 cells</article-title>. <source>J. Physiol</source>. <volume>523</volume>, <fpage>45</fpage>&#x02013;<lpage>55</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1469-7793.2000.00045.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10673544</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Neher</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Sakmann</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>1976</year>). <article-title>Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres</article-title>. <source>Nature</source> <volume>260</volume>, <fpage>799</fpage>&#x02013;<lpage>802</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/260799a0</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">1083489</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nishiyama</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Fukaya</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Watanabe</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Axonal motility and its modulation by activity are branch-type specific in the intact adult cerebellum</article-title>. <source>Neuron</source> <volume>56</volume>, <fpage>472</fpage>&#x02013;<lpage>487</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neuron.2007.09.010</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17988631</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Orio</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Soudry</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Simple, fast and accurate implementation of the diffusion approximation algorithm for stochastic ion channels with multiple states</article-title>. <source>PLoS ONE</source> <volume>7</volume>:<fpage>e36670</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0036670</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22629320</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Papoulis</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Pillai</surname> <given-names>S. U.</given-names></name></person-group> (<year>1965</year>). <source>Probability, Random Variables, and Stochastic Processes</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>McGraw-Hill</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rabiner</surname> <given-names>L. R.</given-names></name></person-group> (<year>1989</year>). <article-title>A tutorial on hidden Markov models and selected applications in speech recognition</article-title>. <source>Proc. IEEE</source> <volume>77</volume>, <fpage>257</fpage>&#x02013;<lpage>286</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/5.18626</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Roth</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>H&#x000E4;usser</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Compartmental models of rat cerebellar Purkinje cells based on simultaneous somatic and dendritic patch-clamp recordings</article-title>. <source>J. Physiol</source>. <volume>535</volume>, <fpage>445</fpage>&#x02013;<lpage>472</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1469-7793.2001.00445.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11533136</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schneidman</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Freedman</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Segev</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Ion channel stochasticity may be critical in determining the reliability and precision of spike timing</article-title>. <source>Neural Comput</source>. <volume>10</volume>, <fpage>1679</fpage>&#x02013;<lpage>1703</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1162/089976698300017089</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9744892</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B53">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Silver</surname> <given-names>I. A.</given-names></name> <name><surname>Deas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Erecinska</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Ion homeostasis in brain cells: differences in intracellular ion responses to energy limitation between cultured neurons and glial cells</article-title>. <source>Neuroscience</source> <volume>78</volume>, <fpage>589</fpage>&#x02013;<lpage>601</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0306-4522(96)00600-8</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9145812</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B54">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sj&#x000F6;str&#x000F6;m</surname> <given-names>P. J. J.</given-names></name> <name><surname>Rancz</surname> <given-names>E. A. A.</given-names></name> <name><surname>Roth</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>H&#x000E4;usser</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Dendritic excitability and synaptic plasticity</article-title>. <source>Physiol. Rev</source>. <volume>88</volume>, <fpage>769</fpage>&#x02013;<lpage>840</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/physrev.00016.2007</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18391179</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B55">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Song</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Sj&#x000F6;str&#x000F6;m</surname> <given-names>P. J. J.</given-names></name> <name><surname>Reigl</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Nelson</surname> <given-names>S. B.</given-names></name> <name><surname>Chklovskii</surname> <given-names>D. B.</given-names></name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Highly nonrandom features of synaptic connectivity in local cortical circuits</article-title>. <source>PLoS Biol</source>. <volume>3</volume>:<fpage>e68</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pbio.0030068</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15737062</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B56">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Soudry</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Meir</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2012a</year>). <article-title>An exact reduction of the master equation to a strictly stable system with an explicit expression for the stationary distribution</article-title>. arXiv:1207.4436.</citation>
</ref>
<ref id="B57">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Soudry</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Meir</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2012b</year>). <article-title>Conductance-based neuron models and the slow dynamics of excitability</article-title>. <source>Front. Comput. Neurosci</source>. <volume>6</volume>:<issue>4</issue>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fncom.2012.00004</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22355288</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B58">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Soudry</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Meir</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>The neuronal response at extended timescales: long term correlations without long memory</article-title>. <source>Front. Comput. Neurosci</source>. <volume>8</volume>:<issue>35</issue>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fncom.2014.00035</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B59">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Staub</surname> <given-names>O.</given-names></name> <name><surname>Gautschi</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Ishikawa</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Breitschopf</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Ciechanover</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Schild</surname> <given-names>L.</given-names></name> <etal/></person-group>. (<year>1997</year>). <article-title>Regulation of stability and function of the epithelial Na&#x0002B; channel (ENaC) by ubiquitination</article-title>. <source>EMBO J</source>. <volume>16</volume>, <fpage>6325</fpage>&#x02013;<lpage>6336</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/emboj/16.21.6325</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9351815</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B60">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Toib</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Lyakhov</surname> <given-names>V.</given-names></name> <name><surname>Marom</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Interaction between duration of activity and time course of recovery from slow inactivation in mammalian brain Na&#x0002B; channels</article-title>. <source>J. Neurosci</source>. <volume>18</volume>, <fpage>1893</fpage>&#x02013;<lpage>1903</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">9465014</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B61">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tsodyks</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Markram</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>The neural code between neocortical pyramidal neurons depends on neurotransmitter release probability</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A</source>. <volume>94</volume>, <fpage>719</fpage>&#x02013;<lpage>723</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.94.2.719</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9012851</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B62">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tsodyks</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Pawelzik</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Markram</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Neural networks with dynamic synapses</article-title>. <source>Neural Comput</source>. <volume>10</volume>, <fpage>821</fpage>&#x02013;<lpage>835</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1162/089976698300017502</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9573407</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B63">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ulbricht</surname> <given-names>W.</given-names></name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Sodium channel inactivation: molecular determinants and modulation</article-title>. <source>Physiol. Rev</source>. <volume>85</volume>, <fpage>1271</fpage>&#x02013;<lpage>1301</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/physrev.00024.2004</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16183913</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B64">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wainrib</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Thieullen</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Pakdaman</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Reduction of stochastic conductance-based neuron models with time-scales separation</article-title>. <source>J. Comput. Neurosci</source>. <volume>32</volume>, <fpage>327</fpage>&#x02013;<lpage>346</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10827-011-0355-7</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21842259</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B65">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wallach</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <source>The Response Clamp : A Control Based Approach for the Study of Neural Systems; Method and Applications</source>. Ph.D. thesis, <publisher-loc>Technion</publisher-loc>.</citation>
</ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>A semi-analytic derivation is an analytic derivation in which some terms are obtained by relatively simple numerics. See 2.2 for our implementation.</p></fn>
<fn id="fn0002"><p><sup>2</sup>We demonstrated that such noise should strongly affect the neuronal response to sparse stimulation (Soudry and Meir, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>).</p></fn>
<fn id="fn0003"><p><sup>3</sup>I.e., if &#x02200;<italic>t</italic>:<italic>I</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003D; 0, then the probability that a neuron will fire is negligible &#x02013; on any relevant finite time interval (e.g., minutes or days).</p></fn>
<fn id="fn0004"><p><sup>4</sup>E.g., as in Equations (50&#x02013;52). Note also a similar notation was also used in Soudry and Meir (<xref ref-type="bibr" rid="B57">2012b</xref>) (e.g., Equations 2.15, 2.16), where we used <italic>H</italic>/<italic>M</italic>/<italic>L</italic> instead of &#x0002B;/&#x02212;/0.</p></fn>
<fn id="fn0005"><p><sup>5</sup>Later we shall demonstrate numerically that this is not a necessary condition.</p></fn>
<fn id="fn0006"><p><sup>6</sup>Note a more general Box&#x02013;Jenkins model is not required, since the poles of <italic>H</italic><sup>ext</sup>(<italic>f</italic>) and <italic>H</italic><sup>int</sup>(<italic>f</italic>) are identical (assuming no pole-zero cancelation).</p></fn>
<fn id="fn0007"><p><sup>7</sup>Also, as explained in section 4.3.1, we approximately have <italic>w</italic> &#x0221D; <overline><italic>g</italic></overline><sub><italic>Na</italic></sub>, from Equation (21).</p></fn>
</fn-group>
</back>
</article>