[論文レビュー] Multiscale Balance of Excitation and Inhibition in Single-Unit ensemble Recordings in Human and Monkey Neocortex

Nima Dehghani, Adrien Peyrache+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2014

Neural dynamics and brain function参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ヒトおよびサルの新皮質において高密度の単一ニューロン記録を用い、複数の時間スケールにわたる興奮性（レギュラー・スパッキング）および抑制性（ファスト・スパッキング）ニューロン集合の分析を行った。E-I集合ペアに再正規化を適用することで、すべての脳状態において強固でマルチスケールの興奮と抑制のバランスが保たれていることが明らかになったが、局所性てんかん発作時にはこのバランスが崩壊することが判明し、E-Iバランスが正常な脳機能の根本的特徴であることが示された。

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.

研究の動機と目的

• ヒトおよびサル新皮質における複数の時間スケールにわたる興奮性（RS）および抑制性（FS）ニューロンの動的バランスを調査すること。
• 覚醒状態、ノンレム睡眠（SWS）、レム睡眠などの異なる脳状態において、興奮性および抑制性活動がバランスを保っているかどうかを特定すること。
• 特に局所性てんかんを含む病理的状態においてE-Iバランスがどのように破壊されるかを同定すること。
• 脳状態に応じたE-Iバランスからの逸脱度を、E-I集合ペアの再正規化行列を用いて定量すること。

提案手法

• ヒトおよびサル新皮質からの高密度単一ニューロン集合記録を実施し、広範なニューロン集団のスパイク活動を捉えた。
• スパイク波形特徴に基づいて、ニューロンをレギュラー・スパッキング（RS）およびファスト・スパッキング（FS）に分類した。
• E-Iバランスの静的および動的側面を複数の時間スケールにわたって評価するために、再正規化技術を適用した。
• 集合活動をE-Iペアの行列にスケーリングすることで、脳状態に応じた興奮と抑制のダイナミクスの定量的比較を可能にした。
• 集合の大きさの分布を分析し、すべてのスケールにおけるバランスを評価した。対称性からの逸脱は不均衡を示唆した。
• 覚醒状態、軽度SWS、深度SWS、レム睡眠、およびてんかん発作状態の間で比較分析を行い、状態依存的なE-Iダイナミクスを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正常なヒトおよびサル新皮質活動において、複数の時間スケールにわたる興奮性と抑制性活動のバランスは一貫しているか？
• RQ2 覚醒状態、軽度SWS、深度SWS、レム睡眠などの異なる脳状態において、E-Iバランスの度合いはどのように変化するか？
• RQ3 局所性てんかん発作時には、正常な脳状態と比較してE-Iバランスはどの程度破壊されるか？
• RQ4 E-I集合ペアの再正規化行列を用いることで、E-I相互作用の動的特徴を定量的に評価できるか？

主な発見

• すべてのスケールにおいてRSおよびFS細胞の集合の大きさの分布が類似しており、興奮と抑制の強固なマルチスケールバランスが示された。
• 軽度ノンレム睡眠、レム睡眠、および覚醒状態では、E-Iバランスからのわずかな逸脱が観察され、微細な状態依存的調節が示唆された。
• 深度ノンレム睡眠では、対称性の平面および絶対的バランスからの中程度の逸脱が検出され、一時的なE-Iダイナミクスのシフトが示唆された。
• 局所性てんかん発作時には、集合活動における対称性の回復が全く見られず、E-Iバランスの完全な崩壊が観察された。
• 再正規化手法により動的E-I特徴が成功裏に定量化され、すべての正常な脳状態においてE-Iバランスが維持されていることが明らかになった。
• 本研究では、バランスの取れた興奮・抑制が、てんかんなどの病理的状態を除き、正常な新皮質機能の根本的で安定した特徴であることが確認された。