[논문 리뷰] Reconciliation of weak pairwise spike-train correlations and highly coherent local field potentials across space

Johanna Senk, Espen Hagen외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 25.

Neural dynamics and brain function인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 생물학적 연결성과 뉴런 밀도를 유지하면서 거리에 따라 변화하는 연결과 전도 지연을 포함하여 4×4 mm²로 다중스케일 스파iking 뉴런 네트워크 모델을 확장한다. 약한 상관성 있는 쌍방향 스파이크트레인 상관관계와 강한 공간적으로 일관된 국소전위(LFP) 간의 모순을 해결하며, 특히 저감마 대역(~50 Hz)에서 관찰되는 실험적 결과인 LFP의 공간적 영향 범위에 대한 밴드패스 필터 효과를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적으로 정밀한 국소 케라믹 네트워크 모델을 뉴런 밀도와 연결 규칙을 유지하면서 4×4 mm² 공간 척도로 확장한다.
• 약한 쌍방향 스파이크트레인 상관관계와 강한 공간적 LFP 일관성이 한 개의 일관된 네트워크 모델에서 동시에 존재할 수 있는지 조사한다.
• 모델이 비침습적 케라믹 활동의 실험적 관측 특성, 즉 이질적인 불규칙한 스파iking과 거리에 따라 변화하는 LFP 일관성을 재현하는지 평가한다.
• 거리에 따라 변화하는 연결과 전도 지연이 인구 수준의 LFP 및 스파이크트레인 상관관계 패턴을 어떻게 형성하는지 탐색한다.
• 최근 실험에서 보고된 바와 같이 LFP 신호가 공간적으로 밴드패스 필터처럼 작용하는 현상에 대한 기계적 설명을 제공한다.

제안 방법

• 기존에 검증된 1 mm² 네트워크를 뉴런 밀도를 늘리고 거리에 따라 변화하는 연결 확률을 포함하여 4×4 mm²로 확장한다.
• 뉴런 유형별, 층별, 거리에 따라 변화하는 연결 규칙을 유지하며, 전도 지연은 축삭 경로 길이의 함수로 모델링한다.
• 시공간적 활동은 포isson 분포를 가진 상관관계 없는 외부 입력을 사용하여 점 뉴런 네트워크로 시뮬레이션하며, 체모코어티컬 및 코르티코코르티컬 입력을 모의한다.
• LFP는 하이브리드 기법을 통해 계산되며, 점 뉴런의 스파이크가 형태학적으로 세밀한 다세포 뉴런을 자극하고, 그로 인한 세포막 전류를 사용하여 세포외 전위를 계산한다.
• LFP 일관성과 스파이크트레인 상관관계는 공간적 범위와 주파수 대역에서 정량화되며, 특히 저감마 대역(~50 Hz)에 중점을 둔다.
• 모델은 가장자리 효과를 최소화하기 위해 주기적 경계 조건을 사용하며, 경계 오차를 줄이기 위해 내부 영역에서 활동을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 생물학적으로 제약된 네트워크 모델이 동시에 약한 쌍방향 스파이크트레인 상관관계와 강한 공간적 LFP 일관성을 재현할 수 있는가?
• RQ2 거리에 따라 변화하는 연결과 전도 지연이 LFP 일관성의 공간적 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 저감마 대역(~50 Hz) 활동이 케라믹 표면 전반의 LFP 공간 일관성을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 LFP는 밴드패스 필터처럼 작용하는 공간적 영향 범위를 보이며, 이는 네트워크 동역학으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 모델의 LFP 일관성 예측이 다중 전극 배열 기록에서의 실험 관측 결과와 일치하는가?

주요 결과

• 확장된 4×4 mm² 네트워크는 생체 내 감각 케라믹 피질 기록과 일치하는 비정상적인 불규칙한 스파iking과 약한 쌍방향 스파이크트레인 상관관계를 유지한다.
• 스파이크트레인 상관관계가 약할지라도 LFP 신호는 수백 마이크로미터에 걸쳐 감쇠되는 강한 공간 일관성을 보이며, 이는 실험적 관측과 일치한다.
• 저감마 대역(~50 Hz)에서의 강화된 일관성이 LFP 공간 영향 범위에서의 명백한 밴드패스 필터 효과를 설명한다. 이 주파수 대역에서 장거리로 최대 일관성이 유지되기 때문이다.
• 모델의 LFP 일관성 프로파일은 특히 30–60 Hz 범위에서 실험 데이터와 매우 유사하며, 이 범위에서 수백 마이크로미터에 걸쳐 일관성이 유지된다.
• 거리에 따라 변화하는 연결과 전도 지연의 포함이 실험적으로 관측된 LFP 일관성의 공간 감쇠를 재현하는 데 필수적이다.
• 모델은 약한 스파이크트레인 상관관계와 강한 LFP 일관성이 상호 배제되지 않으며, 분포된 장거리 연결에 의한 시냅스 입력의 통합으로 인해 공존할 수 있음을 보여준다.