How can I prevent synaptic currents from going below 0 in Julia?

I need some help with a personal project, and I would be really grateful if you provided me some guidance on it ;).

In short, I am trying to simulate the dynamics of a neuron with Julia, and these involves solving a system of 5 differential equations with Julia‘s DifferentialEquations library, and then plotting the results. Nevertheless, when I display the results I see that sometimes the currents go below 0, something strange because I am preventing the currents from going below 0 with the clamp() function.

The main goal is to provide a Julia version of Brian2 for simulating Neuronal Dynamics, hence I am expected to do the same that this simulator does, but with Julia.

Here I leave you what I have done so far, as well as the reference python code of equations used by Brian2 and that I am trying to replicate in Julia.

This is the main file:

using BenchmarkTools

function Soma!(du,u,p,t)
    I0, kappa, Ut = p[1]

    Csoma_mem, Isoma_dpi_tau, alpha_soma, Isoma_pfb_gain, Isoma_pfb_th, Isoma_pfb_norm, Isoma_const  = p[2]
    
    Campa,     Iampa_tau,     alpha_ampa = p[3]

    Cnmda,     Inmda_tau,     alpha_nmda, Inmda_thr = p[4]

    Cgaba_a,     Igaba_a_tau, alpha_gaba_a = p[5]

    Cgaba_b,     Igaba_b_tau, alpha_gaba_b = p[5]

    Isoma_dpi_tau_shunt = Isoma_dpi_tau*(u[1] > I0) + I0*(u[1] <= I0)
    Isoma_dpi_g_shunt = alpha_soma*Isoma_dpi_tau_shunt*(u[1] > I0) + I0*(u[1] <= I0)
    Isoma_pfb = Isoma_pfb_gain/(1+exp(-(u[1] - Isoma_pfb_th)/Isoma_pfb_norm))
    Isoma_pfb_shunt = Isoma_pfb*(u[1] > I0) + I0*(u[1] <= I0)

    Igaba_a_shunt = u[5]*(u[1]>I0) + I0*(u[1]<=I0)
    Isoma_sum = Isoma_dpi_tau_shunt + Igaba_a_shunt - Isoma_pfb_shunt - I0*(u[1] <=I0)
    tau_soma = (Csoma_mem * Ut) / (kappa * Isoma_dpi_tau_shunt)
    
    Iampa_g = alpha_ampa * Iampa_tau                                                     # Synapse gain term expressed in terms of its tau current
    Iampa_tau_shunt = Iampa_tau*(u[2]>I0) + I0*(u[2]<=I0)                                # Shunt tau current if Iampa goes to I0                                              
    Iampa_g_shunt = Iampa_g*(u[2]>I0) + I0*(u[2]<=I0)                                    # Shunt g current if Iampa goes to I0
    tau_ampa = (Campa * Ut) / (kappa * Iampa_tau_shunt)                                  # Synaptic time-constant

    Igaba_a_tau_shunt = Igaba_a_tau*(u[4] > I0) + I0*(u[4] <= I0)
    Igaba_a_g_shunt = alpha_gaba_a*Igaba_a_tau*(u[4] > I0) + I0*(u[4] <= I0)
    tau_gaba_a = (Cgaba_a * Ut) / (kappa * Igaba_a_tau_shunt)

    Igaba_b_tau_shunt = Igaba_b_tau*(u[5] > I0) + I0*(u[5] <= I0)
    Igaba_b_g_shunt = alpha_gaba_b*Igaba_b_tau*(u[5] > I0) + I0*(u[5] <= I0)
    tau_gaba_b = (Cgaba_b * Ut) / (kappa * Igaba_b_tau_shunt)
    
    Isoma_mem_clip = clamp(u[1], I0, 1) #Works

    Inmda_g = alpha_nmda * Inmda_tau
    Inmda_g_shunt = Inmda_g*Int((u[3]>I0)) + I0*Int((u[3]<=I0))
    Inmda_tau_shunt = Inmda_tau*Int((u[3]>I0)) + I0*Int((u[3]<=I0)) 
    tau_nmda = Cnmda * Ut /(kappa * Inmda_tau_shunt)

    Inmda_dp = u[3]/(1 + Inmda_thr / Isoma_mem_clip) 
    Iin_clip = clamp(Inmda_dp + u[2] - u[5] + Isoma_const, I0, 1) # Works


    du[1] = (alpha_soma*(Iin_clip - Isoma_sum) - (Isoma_sum - I0*Int((u[1] <= I0)))*(Isoma_mem_clip/Isoma_dpi_tau_shunt))/(tau_soma * (1 + (Isoma_dpi_g_shunt/Isoma_mem_clip)))
    du[2] = (- u[2] - Iampa_g_shunt + 2*I0*(u[2] <= I0))/(tau_ampa * ((Iampa_g_shunt / u[2]) + 1))    #AMPA
    du[3] = (- u[3] - Inmda_g_shunt + 2*I0*(u[3] <= I0))/(tau_nmda * ((Inmda_g_shunt / u[3]) + 1))    #NMDA
    du[4] = (- u[4] - Igaba_a_g_shunt + 2*I0*(u[4] <= I0))/(tau_gaba_a * ((Igaba_a_g_shunt / u[4]) + 1))
    du[5] = (- u[5] - Igaba_b_g_shunt + 2*I0*(u[5] <= I0))/(tau_gaba_b * ((Igaba_b_g_shunt / u[5]) + 1))
   

end

kappa = (kappa_n + kappa_p)/2

p1 = [I0, kappa, Ut]
p2 = [Csoma_mem, Isoma_dpi_tau,  alpha_soma, Isoma_pfb_gain, Isoma_pfb_th, Isoma_pfb_norm, Isoma_const]
p3 = [Campa,     Iampa_tau,      alpha_ampa]
p4 = [Cnmda,     Inmda_tau,      alpha_nmda, Inmda_thr]
p5 = [Cgaba_a,     Igaba_a_tau, alpha_gaba_a]
p6 = [Cgaba_b,     Igaba_b_tau, alpha_gaba_b]

p = [p1,p2,p3,p4, p5, p6]



inp_duration = 5   #Input duration must be ≥ pulse_stop ???
pulse_start = 0
pulse_stop = 5
rate = 80
input_type = "regular"

inp = SpikeGen.input_gen(input_type,inp_duration, pulse_start, pulse_stop, rate)


indices = inp .== 1.0
tvalues = 0:pulse_stop/4999:pulse_stop
time_spikes = tvalues[indices]



function conditionSOMA(u, t, integrator) 
    u[1]  <= Isoma_th
end

function affectSOMA!(integrator)
    println("Affecting soma at time $(integrator.t)")
    integrator.u[1] = Isoma_reset
end
cbSOMA = ContinuousCallback(conditionSOMA, affectSOMA!)

weight_AMPA = 2
conditionAMPA(u,t,integrator) = t ∈ time_spikes
affectAMPA!(integrator) = integrator.u[2] += weight_AMPA * alpha_ampa * Iampa_w0
cbAMPA = DiscreteCallback(conditionAMPA, affectAMPA!)

weight_NMDA = 0.5
#conditionNMDA(u,t,integrator) = t ∈ [0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0, 1.5,2.0]
conditionNMDA(u,t,integrator) = t ∈ time_spikes
affectNMDA!(integrator) = integrator.u[3] += weight_NMDA * alpha_nmda * Inmda_w0
cbNMDA = DiscreteCallback(conditionNMDA, affectNMDA!)

weight_gaba_a = 1
#conditionGABA_A(u,t,integrator) = t ∈ [0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0, 1.5,2.0]
conditionGABA_A(u,t,integrator) = t ∈ time_spikes
affectGABA_A!(integrator) = integrator.u[4] += weight_gaba_a * alpha_gaba_a * Igaba_a_w0
cbGABA_A = DiscreteCallback(conditionGABA_A, affectGABA_A!)

weight_gaba_b = 1
conditionGABA_B(u,t,integrator) = t ∈ time_spikes
affectGABA_B!(integrator) = integrator.u[5] += Igaba_b_w0*weight_gaba_b*alpha_gaba_b
cbGABA_B = DiscreteCallback(conditionGABA_B, affectGABA_B!)

callbacks = CallbackSet(cbSOMA, cbAMPA, cbNMDA, cbGABA_A, cbGABA_B)

tspan = (0.0, 5.0)
ini_soma = Isoma_reset
ini_soma = 0.1I0
ini_AMPA = 1.1I0
ini_NMDA = 1.1I0
ini_GABA_A = 1.1I0 
ini_GABA_B = 1.1I0
u0 = [ini_soma, ini_AMPA, ini_NMDA, ini_GABA_A, ini_GABA_B]

prob = ODEProblem(Soma!, u0, tspan, p)
sol = solve(prob, Rodas5(), callback = callbacks, saveat = 0.01)

strings = ["Membrane current", "AMPA", "NMDA", "GABA_A", "GABA_B"]

plot(sol, xlabel = "Time [ms]")
plot1 = plot(sol, idxs = (1), title = strings[1], xlabel = "Time [s]", ylabel = "Isoma [A]")
plot2 = plot(sol, idxs = (2), title = strings[2], xlabel = "Time [s]", ylabel = "AMPA [A]")
plot3 = plot(sol, idxs = (3), title = strings[3], xlabel = "Time [s]", ylabel = "NMDA [A]")
plot4 = plot(sol, idxs = (4), title = strings[4], xlabel = "Time [s]", ylabel = "GABA A [A]")
plot5 = plot(sol, idxs = (5), title = strings[5], xlabel = "Time [s]", ylabel = "GABA B [A]")

P1 = plot(plot1)

P2 = plot(plot2,plot3, layout = (2,1))
P3 = plot(plot4,plot5, layout = (2,1))

index = 2 # 1 - Soma, 2 - AMPA & NMDA, 3 - GABAs

if index == 1
    plot(P1)
elseif index == 2
    plot(P2)
elseif index == 3
    plot(P3)
else
    nothing;
end

This is Setup.jl, in which I have the values of the parameters:

using Pkg 
using DifferentialEquations
using Plots

##########
#Constants
##########
kappa_n = 0.75
kappa_p = 0.66
kappa = (kappa_n + kappa_p)/2
Ut = 25e-3
I0 = 1e-12


################
#Scaling factors
################
alpha_soma = 4
alpha_ahp = 4
alpha_nmda = 4
alpha_ampa = 4
alpha_gaba_a = 4
alpha_gaba_b = 4

##################
#Neuron parameters
###################
#Soma 
Csoma_mem = 2e-12
Isoma_mem = 1.1I0
Isoma_dpi_tau = 5I0
Isoma_th = 2000*I0
Isoma_reset = 1.2*I0
Isoma_const = I0 
soma_refP = 5e-3

#Adaptation
Csoma_ahp = 4e-12
Isoma_ahp_tau = 2I0  
Isoma_ahp_w = 1I0 

#Positive feedback 
Isoma_pfb_gain = 100I0
Isoma_pfb_th = 1000I0
Isoma_pfb_norm = 20I0 


##################
#Synapse parameters
###################
#Slow_exc, NMDA
Cnmda = 2e-12
Inmda_tau = 2I0
Inmda_w0 = 10I0
Inmda = I0
Inmda_thr = I0
Inmda_g = alpha_nmda * Inmda_tau

#Fast_exc, AMPA
Campa = 2e-12;
Iampa_tau = 20I0
Iampa_w0 = 100I0
Iampa_g = alpha_ampa * Iampa_tau

#INH, SLOW_INH, GABA_B, subtractive
Cgaba_b = 2e-12;
Igaba_b_tau = 5I0
Igaba_b_w0 = 100I0
Igaba_b_g = alpha_gaba_b * Igaba_b_tau

#FAST_INH, GABA_A, shunting, a mixture of subatractive and divisive
#Positive feedback 
Cgaba_a = 2e-12
Igaba_a_tau = 5I0 
Igaba_a_w0 = 100I0 
Igaba_a_g = alpha_gaba_a * Igaba_a_tau


#Voltage
taum = 20e-3
tauw = 30e-3
a = -0.5e-9
urest = -55e-3
urh = -55e-3
At = 2e-3
R = 500e6

This is SpikeGent.jl, which generates a spike pattern to affect the synapses in each spike time:

module SpikeGen

export input_gen

function input_gen(input_type, inp_duration, pulse_start, pulse_stop, rate)
    if input_type == "regular"
        inp = reg_gen(inp_duration, pulse_start, pulse_stop, rate)
    elseif input_type == "poisson"
        inp = poisson_gen(inp_duration, pulse_start, pulse_stop, rate)
    elseif input_type == "cosine"
        inp = cos_gen(inp_duration, pulse_start, pulse_stop, rate)
    else
        error("Invalid input type")
    end
    return inp
end


function reg_gen(inp_duration, pulse_start, pulse_stop,rate)
    # Regular input generator
    inp = zeros(inp_duration*1000)
    dt = Int(round(1000/rate))
    inp[pulse_start*1000+1:dt:pulse_stop*1000] .= 1.0
    return inp
end

function poisson_gen(inp_duration, pulse_start, pulse_stop,rate)
    # Poisson input generator
    prob = rate*1e-3 
    mask = rand(inp_duration*1000)
    spikes = zeros(inp_duration*1000)
    spikes[mask .< prob] .= 1.0
    spikes[1:pulse_start*1000] .= 0  #I have modified this one
    spikes[pulse_stop*1000:end] .=0
    return spikes
end

function cos_gen(inp_duration, pulse_start, pulse_stop,rate)
    spikes = zeros(inp_duration * 1000)
    time = LinRange(0, inp_duration, inp_duration * 1000)
    co = cos.(2 * π * rate .* time)
    mask = 20 .* rand(inp_duration * 1000)
    spikes[mask .< co] .= 1
    spikes[1:pulse_start * 1000] .= 0
    spikes[pulse_stop * 1000:end] .= 0
    return spikes
end

end

And these are the plots I am currently getting:

Soma plot

AMPA and NMDA plot

GABA A and GABA B plot


Whereas these are the expected plots:

Membrane current expected behaviour

AMPA and NMDA expected plot

AMPA and NMDA expected frequency plots


Moreover, if you have some knowledge on Neuroscience and therefore think that any parameter or initial value does not make sense, I am open to any suggestion!

Many thanks in advanced, and I am eagerly looking forward to receiving your responses!

Kind regards.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật