[논문 리뷰] Multiscale Balance of Excitation and Inhibition in Single-Unit ensemble Recordings in Human and Monkey Neocortex

Nima Dehghani, Adrien Peyrache외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 09.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 62인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 인간 및 원숭이 neocortex에서 고밀도 단일세포 기록을 이용하여 다양한 시간 스케일에서 흥분성(정규자극) 및 억제성(빠른자극) 신경세포 집단 간의 균형을 분석한다. E-I 집단 쌍에 대해 재정규화를 적용함으로써, 모든 뇌 상태에서 강건한 다중스케일 균형이 유지됨을 규명하였으며, 국소 경련을 제외한 모든 상태에서 이 균형이 유지됨을 확인하였다. 국소 경련 기간에는 이러한 균형이 붕괴되며, 이는 E-I 균형이 정상 뇌 기능의 핵심적 특징임을 시사한다.

ABSTRACT

High-density ensemble recordings from the neocortex of human and monkey were used to categorize large ensembles of units into regular-spiking (RS) and fast-spiking (FS) cells based on spike waveform features and functional interactions. We adapted renormalization methods to evaluate the static and dynamic aspects of multiscale balance of these two interacting groups of cells. We found that the distribution of ensemble magnitude is similar for FS and RS cells at all scales, demonstrating that excitatory and inhibitory activity are well balanced. Scaling the ensemble series to a matrix of E-I ensemble pairs, enabled us to quantify the ne details of dynamic features of excitation and inhibition in each brain state and in comparison to one another. Minor deviations were found for light slow-wave sleep (SWS), Rapid Eye Movement (REM) sleep, and wakefulness, with moderate deviations from the plane of symmetry and absolute balance found for deep SWS. In contrast, we observed a complete break-down of this balanced activity during instances of focal seizures. In conclusion, large ensemble of units show a remarkable excitatory and inhibitory balance, at multiple temporal scales, and for all brain states, except seizures, showing that balanced excitation-inhibition is a fundamental feature of normal brain activity.

연구 동기 및 목표

• 인간 및 원숭이 neocortex에서 다양한 시간 스케일에서 흥분성(RS) 및 억제성(FS) 뉴런 간의 동적 균형을 조사하기 위해.
• 각각 각각의 뇌 상태인 각성, 느린파여장수면(SWS), 렘수면에서 흥분성 및 억제성 활동이 균형을 이루는지 확인하기 위해.
• 특히 국소 경련과 같은 병적 상태에서 E-I 균형이 어떻게 손상되는지 규명하기 위해.
• 다양한 뇌 상태에서 E-I 집단 쌍의 재정규화된 행렬을 사용하여 E-I 균형에서의 이격 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 인간 및 원숭이 neocortex에서 고밀도 단일세포 집단 기록을 확보하여 대규모 뉴런 집단의 자극 활동을 측정하였다.
• 스パイ크 웨이브폼 특징을 기반으로 단위를 정규자극(RS) 및 빠른자극(FS) 유형으로 분류하였다.
• 다양한 시간 스케일에서 E-I 균형의 정적 및 동적 측면을 평가하기 위해 재정규화 기법을 적용하였다.
• 집단 활동을 E-I 쌍의 행렬으로 스케일링하여 뇌 상태 간의 흥분 및 억제 동역학을 정량적으로 비교할 수 있도록 하였다.
• 집단 크기의 분포를 분석하여 모든 스케일에서 균형을 평가하였으며, 대칭성에서의 이격은 균형이 깨졌음을 나타내었다.
• 각성, 경도 SWS, 심도 SWS, 렘수면 및 경련 상태 간의 비교 분석을 수행하여 상태에 따라 달라지는 E-I 동역학을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정상 인간 및 원숭이 neocortical 활동에서 다양한 시간 스케일에서 흥분성 및 억제성 활동 간에 일관된 균형이 유지되는가?
• RQ2 각성, 경도 SWS, 심도 SWS 및 렘수면과 같은 다양한 뇌 상태에서 E-I 균형 정도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 국소 경련 기간 동안 정상 뇌 상태에 비해 E-I 균형은 얼마나 심각하게 손상되는가?
• RQ4 E-I 상호작용의 동적 특징은 E-I 집단 쌍의 재정규화된 행렬을 통해 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 스케일에서 RS 및 FS 세포의 집단 크기 분포가 유사하게 나타나, 흥분성과 억제성 간의 강건한 다중스케일 균형이 유지됨을 시사한다.
• 경도 SWS, 렘수면 및 각성 상태에서 E-I 균형에서의 미미한 이격이 관찰되어 약간의 상태 의존적 조절이 있음을 시사한다.
• 심도 SWS에서는 대칭 평면과 절대 균형에서의 중간 정도의 이격이 감지되어 E-I 동역학의 일시적 이동이 있음을 나타낸다.
• 국소 경련 기간에는 E-I 균형이 완전히 붕괴되었으며, 집단 활동에서 대칭성이 회복되지 않았다.
• 재정규화 방법은 동적 E-I 특징을 성공적으로 정량화하였고, E-I 균형이 모든 정상 뇌 상태에서 유지됨을 드러냈다.
• 본 연구는 균형 잡힌 흥분-억제가 정상 neocortical 기능의 핵심적이고 안정적인 특징임을 확인하였으며, 경련과 같은 병적 상태를 제외한 모든 경우에 해당된다.