[논문 리뷰] Mechanism, dynamics, and biological existence of multistability in a large class of bursting neurons

Jonathan P. Newman, Robert J. Butera|arXiv (Cornell University)|2008. 10. 08.

stochastic dynamics and bifurcation참고 문헌 24인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 원형/원형 동역학적 위상 구조를 가진 봉우리 작동 신경세포의 광범위한 집단이, 불변 원 위의 안정점 상실(SNIC) 분기 덕분에 다중 안정성을 내재적으로 지닐 수 있으며, 이로 인해 여러 봉우리 리듬의 안정적 공존이 가능하다고 제안한다. *Aplysia californica* 신경세포에서의 실험적 증거는 자극 후에도 지속적인 모드 전환이 관찰되어, 비시냅틱적 단기 기억이 다중리듬 봉우리 동역학을 통해 내재적으로 구현될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Multistability, the coexistence of multiple attractors in a dynamical system, is explored in bursting nerve cells. A modeling study is performed to show that a large class of bursting systems, as defined by a shared topology when represented as dynamical systems, is inherently suited to support multistability. We derive the bifurcation structure and parametric trends leading to multistability in these systems. Evidence for the existence of multirhythmic behavior in neurons of the aquatic mollusc Aplysia californica that is consistent with our proposed mechanism is presented. Although these experimental results are preliminary, they indicate that single neurons may be capable of dynamically storing information for longer time scales than typically attributed to nonsynaptic mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 공통된 위상적 구조를 공유하는 광범위한 봉우리 신경세포 집단에서 다중 안정성을 가능하게 하는 동역학적 메커니즘을 규명하는 것.
• 이 시스템에서 다중리듬 봉우리를 유도하는 분기 구조와 매개변수 조건을 설명하는 것.
• *Aplysia californica*의 특정 신경세포에서 다중리듬 행동에 대한 실험적 증거를 제공하는 것.
• 안정적인 봉우리 모드 간 전환을 통해 내재적이고 비시냅틱적인 정보 저장이 가능한지 생물학적 타당성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 빠른(스파크 발생) 및 느린(조절성) 하위계로 구성된 단일 편차 시스템으로 봉우리 신경세포를 모델링하는 것.
• 이중 적분-화염 모형의 빠른 하위계와 감쇠된 선형 진동자로 이루어진 느린 하위계를 가진 정규형으로 시스템을 단순화하는 것.
• 특이적 편차 이론을 적용하여 분기, 특히 활성기와 침묵기 간 전환의 메커니즘으로서 SNIC 분기를 분석하는 것.
• 스파이크에 의해 느린 변수가 재설정되는 동안의 시간 평균 편차를 사용하여 스파이크 간격 주기와 봉우리 동역학을 유도하는 것.
• 다중 봉우리 리듬의 안정성과 공존성을 연구하기 위해 일차원 맵 분석을 적용하는 것.
• 내재적 동역학을 분리하기 위해 저칼슘, 고마그네슘 조건 하에서 탈피한 *Aplysia californica* 복부 신경절의 세포내 기록을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통된 위상적 구조를 가진 광범위한 봉우리 신경세포 집단에서 다중 안정성을 가능하게 하는 동역학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 분기 매개변수와 시스템 위상은 단일 신경세포에서 공존하는 봉우리 리듬을 어떻게 유도하는가?
• RQ3 실험적으로 유도된 자극이 특정 무척추동물 신경세포에서 고유한 봉우리 모드 간 지속적인 전환을 유도할 수 있는가?
• RQ4 *Aplysia californica* 신경세포에서 제안된 모델과 일치하는 다중리듬 봉우리 행동에 대한 생물학적 증거가 있는가?
• RQ5 내재적이고 비시냅틱적인 신경세포 동역학이 모드 전환을 통해 안정적이고 장기간 지속되는 정보 저장을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 원형/원형 위상을 가진 봉우리 신경세포의 광범위한 집단은 빠른 하위계에서의 SNIC 분기 덕분에 다중 안정성을 내재적으로 지닐 수 있다.
• 모델은 자주 스파이크에 의해 자극받는 느린 하위계의 동역학이 초기 조건에 따라 여러 안정된 봉우리 리듬을 지닐 수 있음을 예측한다.
• *Aplysia californica* 신경세포에서의 실험적 기록은 11개의 세포 중 4개에서 전류 주입 후에도 지속적인 모드 전환이 관찰되었으며, 이 중 3개는 다중 전환을 보였다.
• 다중리듬성을 보이는 세포들은 자극 후 최소 7번의 봉우리 주기 동안 변화된 봉우리 패턴(예: 스파이크 수 변화)을 유지하여 안정된 액터 기저 전환을 나타냈다.
• 관찰된 다중리듬 행동은 고정된 매개변수 조건 하에서 공존하는 액터를 예측하는 이론적 모델과 일치한다.
• 결과적으로, 단일 신경세포가 감각 자극을 내재된 봉우리 패턴의 안정적 변화로 저장함으로써 비시냅틱적 단기 기억 요소로 작용할 수 있음을 시사한다.