[论文解读] Mechanism, dynamics, and biological existence of multistability in a large class of bursting neurons

Jonathan P. Newman, Robert J. Butera|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2008

stochastic dynamics and bifurcation参考文献 24被引用 8

一句话总结

本文提出，一大类爆发性神经元，尤其是具有环/环动力学拓扑结构的神经元，通过环上鞍结分岔（SNIC）分岔机制，本质上支持多稳定性，从而实现多种爆发节律的稳定共存。来自加州海兔（*Aplysia californica*）神经元的实验证据显示，在扰动后可维持模式切换，表明其可通过多节律爆发动力学实现内在的、非突触性的短期记忆。

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.

研究动机与目标

• 识别一类具有共同拓扑结构的爆发性神经元中实现多稳定性的动力学机制。
• 解释导致这些系统中多节律爆发的分岔结构与参数条件。
• 为* Aplysia californica*中已鉴定神经元的多节律行为提供实验证据。
• 探讨通过稳定切换爆发模式实现内在、非突触信息存储的生物学合理性。

提出的方法

• 将爆发性神经元建模为具有快速（放电）和慢速（调制）子系统的奇异摄动（SP）动力系统。
• 将系统简化为具有二次积分-放电快速子系统和阻尼线性振子慢速子系统的标准形式。
• 利用奇异摄动理论分析分岔，特别是SNIC分岔，作为激活相与静默相之间切换的机制。
• 通过脉冲引起的慢变量重置的平均时间扰动，推导动作电位间隔周期与爆发动力学。
• 应用一维映射分析研究多种爆发节律的稳定性与共存性。
• 在低Ca²⁺、高Mg²⁺条件下，对去鞘的* Aplysia californica*腹侧神经节进行胞内记录，以隔离内在动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有共同拓扑结构的一类爆发性神经元中，何种动力学机制使其具备多稳定性？
• RQ2 分岔参数与系统拓扑如何导致单个神经元中多种爆发节律的共存？
• RQ3 实验诱导的扰动是否可导致已鉴定的无脊椎动物神经元中持续的模式切换？
• RQ4 * Aplysia californica*神经元中是否存在与所提模型一致的多节律爆发行为的生物学证据？
• RQ5 内在的、非突触的神经元动力学是否可通过模式切换实现稳定、长期的信息存储？

主要发现

• 具有环/环拓扑结构的大量爆发性神经元，由于其快速子系统的SNIC分岔，本质上具备多稳定性能力。
• 该模型预测，受脉冲周期性扰动的慢速子系统动力学，可在不同初始条件下支持多种稳定的爆发节律。
• * Aplysia californica*神经元的实验记录显示，在11个细胞中有4个在电流注入后维持了持续的模式切换，其中3个细胞表现出多次切换。
• 表现出多节律性的细胞在扰动后至少维持了七个爆发周期的改变模式（如动作电位计数变化），表明吸引子切换具有稳定性。
• 观察到的多节律行为与理论模型在固定参数下共存吸引子的预测一致。
• 结果表明，单个神经元可通过将感觉输入作为内在爆发模式的稳定改变，充当非突触性短期记忆元件。