[論文レビュー] Reconciliation of weak pairwise spike-train correlations and highly coherent local field potentials across space

Johanna Senk, Espen Hagen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Neural dynamics and brain function被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、生物学的結合性とニューロン密度を維持したまま、4×4 mm²にスケーリングされたマルチスケールのスパイクニューロンネットワークモデルを拡張した。距離依存的結合と伝導遅延を組み込み、弱いペアワイズスパイクトレイン相関と強い空間的一貫性を持つ局所フィールドポテンシャル（LFP）の両立を説明した。特に、低ギャンマ帯域（約50 Hz）において顕著な空間的コherー1ンスが観察され、実験的に報告されたLFP空間的到達範囲におけるバンドパスフィルタ効果を解明した。

ABSTRACT

Multi-electrode arrays covering several square millimeters of neural tissue provide simultaneous access to population signals such as extracellular potentials and spiking activity of one hundred or more individual neurons. The interpretation of the recorded data calls for multiscale computational models with corresponding spatial dimensions and signal predictions. Multi-layer spiking neuron network models of local cortical circuits covering about 1 mm$^2$ have been developed, integrating experimentally obtained neuron-type-specific connectivity data and reproducing features of observed in-vivo spiking statistics. Local field potentials (LFPs) can be computed from the simulated spiking activity. We here extend a local network and LFP model to an area of 4x4 mm$^2$, preserving the neuron density and introducing distance-dependent connection probabilities and conduction delays. We find that the upscaling procedure preserves the overall spiking statistics of the original model and reproduces asynchronous irregular spiking across populations and weak pairwise spike-train correlations in agreement with experimental recordings from sensory cortex. Also compatible with experimental observations, the correlation of LFP signals is strong and decays over a distance of several hundred micrometers. Enhanced spatial coherence in the low-gamma band around 50 Hz may explain the recent report of an apparent band-pass filter effect in the spatial reach of the LFP.

研究の動機と目的

• 生物学的に詳細な局所皮質ネットワークモデルを4×4 mm²の空間スケールに拡張し、ニューロン密度と結合ルールを維持すること。
• 弱いペアワイズスパイクトレイン相関と強い空間的LFPコherー1ンスが、一つの一貫したネットワークモデル内で共存可能かどうかを調査すること。
• モデルが、非同期不規則なスパイク活動と距離依存的LFPコherー1ンスといった、実験的に観察された皮質活動の特徴を再現するかどうかを評価すること。
• 距離依存的結合と伝導遅延が、集団レベルのLFPおよびスパイクトレイン相関パターンに与える影響を調査すること。
• 最近の実験で報告されたLFP信号の空間的バンドパスフィルタ効果を、メカニズム的に説明すること。

提案手法

• 以前に妥当性が確認された1 mm²のネットワークを、ニューロン密度のスケーリングと距離依存的結合確率の導入により4×4 mm²に拡張した。
• ニューロンタイプ特異的、層特異的、距離依存的結合ルールを維持し、伝導遅延は軸索路径長の関数としてモデル化した。
• スパイク発火の時空間的活動は、視床皮質および皮質皮質入力を模倣するため、不規則で相関のないポisson分布外部入力を持つポイントニューロンネットワークでシミュレートした。
• LFPはハイブリッド手法で計算した：ポイントニューロンからのスパイクが形態的に詳細なマルチコンパートメントニューロンを駆動し、その結果生じる膜電流を用いて細胞外電位を計算した。
• LFPコherー1ンスとスパイクトレイン相関は、空間的および周波数帯域ごとに定量化され、特に低ギャンマ帯域（約50 Hz）に注目した。
• 境界効果を最小限に抑えるために周期的境界条件を用い、境界アーチファクトを低減するため、内側領域で活動を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模で生物学的に制約のあるネットワークモデルは、同時に弱いペアワイズスパイクトレイン相関と強い空間的LFPコherー1ンスを再現可能か？
• RQ2 距離依存的結合と伝導遅延は、LFPコherー1ンスの空間的構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 低ギャンマ帯域（約50 Hz）の活動は、皮質表面にわたるLFPの空間的コherー1ンスを強化する役割を果たすか？
• RQ4 なぜLFPはバンドパスフィルタに類似した空間的到達範囲を示すのか？これはネットワークダイナミクスによって説明可能か？
• RQ5 モデルが予測するLFPコherー1ンスは、マルチエレクトロードアレイレコーディングからの実験的観察と一致するか？

主な発見

• 拡張された4×4 mm²のネットワークは、生体内感覚皮質レコーディングと一致する非同期不規則なスパイク活動と、集団間で弱いペアワイズスパイクトレイン相関を維持した。
• 弱いスパイクトレイン相関にもかかわらず、LFP信号は数百ミクロンの距離で減衰する強力な空間的コherー1ンスを示し、実験的観察と一致した。
• 低ギャンマ帯域（約50 Hz）におけるコherー1ンスの増幅が、LFP空間的到達範囲における顕著なバンドパスフィルタ効果を説明しており、この周波数帯域で長距離にわたる最大コherー1ンスが観察された。
• モデルのLFPコherー1ンスプロファイルは、実験データとよく一致しており、特に30–60 Hzの範囲で、数百ミクロンにわたって高いコherー1ンスが維持された。
• 距離依存的結合と伝導遅延の導入が、実験的に観察されたLFPコherー1ンスの空間的減衰を再現するために不可欠であることが示された。
• モデルは、弱いスパイクトレイン相関と強いLFPコherー1ンスが、分散的で長距離の結合によるシナプス入力の統合のおかげで、互いに排他的ではなく共存可能であることを示した。