[论文解读] A Neural-Astrocytic Network Architecture: Astrocytic calcium waves modulate synchronous neuronal activity

Ioannis Polykretis, Vladimir A. Ivanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Neural dynamics and brain function参考文献 85被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种生物物理上逼真的星形胶质细胞模型，可模拟细胞内钙波在亚细胞区室间的传播，展示了这些钙波如何通过胶质递质释放调节神经元的同步活动。该模型揭示了一种钙级联机制，使星形胶质细胞能够调节神经元同步化，为非神经元细胞在神经-胶质网络（NANs）中的新型计算角色提供了新见解。

ABSTRACT

Understanding the role of astrocytes in brain computation is a nascent challenge, promising immense rewards, in terms of new neurobiological knowledge that can be translated into artificial intelligence. In our ongoing effort to identify principles endow-ing the astrocyte with unique functions in brain computation, and translate them into neural-astrocytic networks (NANs), we propose a biophysically realistic model of an astrocyte that preserves the experimentally observed spatial allocation of its distinct subcellular compartments. We show how our model may encode, and modu-late, the extent of synchronous neural activity via calcium waves that propagate intracellularly across the astrocytic compartments. This relationship between neural activity and astrocytic calcium waves has long been speculated but it is still lacking a mechanistic explanation. Our model suggests an astrocytic "calcium cascade" mechanism for neuronal synchronization, which may empower NANs by imposing periodic neural modulation known to reduce coding errors. By expanding our notions of information processing in astrocytes, our work aims to solidify a computational role for non-neuronal cells and incorporate them into artificial networks.

研究动机与目标

• 开发一种保留亚细胞结构空间区隔化的生物物理上逼真的星形胶质细胞模型。
• 研究星形胶质细胞内钙波如何调节神经元的同步活动。
• 建立神经元活动与星形胶质细胞钙信号之间的机制联系，以应用于人工智能。
• 将星形胶质细胞整合到神经-胶质网络（NANs）中，以提升计算能力，超越传统神经网络。

提出的方法

• 构建一个具有反映实验形态的独立亚细胞区域的分室星形胶质细胞模型。
• 使用生物物理启发的方程模拟钙动力学，以捕捉钙波在星形胶质细胞突起中的传播。
• 施加处于生物范围内的刺激模式，以诱发中等规模和全局钙波。
• 将胶质递质释放建模为钙波影响神经元突触活动的机制。
• 将波传播模式与近期关于钙波类型（中等规模和全局）的实验发现进行验证。
• 将星形胶质细胞模型整合到神经-胶质网络（NAN）框架中，以探索其在同步化中的计算角色。

实验结果

研究问题

• RQ1 在生物上逼真的模型中，钙波如何在星形胶质细胞的亚区室间传播？
• RQ2 星形胶质细胞钙波在调节神经元同步活动方面发挥何种功能作用？
• RQ3 星形胶质细胞中的钙级联机制是否可解释实验中观察到的神经元同步化？
• RQ4 星形胶质细胞钙动力学如何促进人工神经网络中的信息处理？
• RQ5 将星形胶质细胞整合进来，对类脑计算和非冯·诺依曼计算架构带来何种计算优势？

主要发现

• 该模型成功再现了向厚星形胶质细胞分支传播的中等规模钙波，以及抵达胞体的全尺度全局波。
• 钙波传播与星形胶质细胞中局部和网络尺度钙信号的实验观察一致。
• 该模型表明，突触诱导的钙波可通过胶质递质释放调节静默神经元，具体取决于波的传播范围。
• 星形胶质细胞钙波被证明可施加周期性神经调节，这可能减少编码错误并增强同步化。
• 研究结果支持星形胶质细胞通过钙介导的信号传导在调节神经元网络动力学中发挥功能作用。
• 该研究为长期推测的神经元活动与星形胶质细胞钙波之间的联系提供了机制性解释，推动了基于NAN的计算发展。