[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用人类与猴子新皮层的高密度单细胞记录，分析了兴奋性（即峰发放频率较高）与抑制性（即快速发放）神经元集合在多个时间尺度上的表现。通过应用重归一化方法处理E-I集合对，揭示了在所有脑状态中均存在稳健的、多尺度的兴奋与抑制平衡——唯独在局灶性癫痫发作期间，这种平衡崩溃，表明E-I平衡是正常脑功能的基本特征。

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.

研究动机与目标

• 研究人类与猴子新皮层中兴奋性（RS）与抑制性（FS）神经元在多个时间尺度上的动态平衡。
• 确定在清醒、慢波睡眠（SWS）及快速眼动睡眠（REM）等不同脑状态下，兴奋与抑制活动是否保持平衡。
• 识别病理状态下（尤其是局灶性癫痫发作）E-I平衡的破坏情况。
• 通过脑状态间E-I集合对的重归一化矩阵，量化E-I平衡的偏离程度。

提出的方法

• 从人类与猴子新皮层采集高密度单细胞集合记录，以捕捉大规模神经元群体的放电活动。
• 基于动作电位波形特征，将神经元分类为峰发放频率较高（RS）与快速发放（FS）类型。
• 应用重归一化技术，评估E-I平衡在多个时间尺度上的静态与动态特性。
• 将集合活动归一化为E-I对矩阵，以实现不同脑状态下兴奋与抑制动力学的定量比较。
• 分析集合幅值的分布，以评估所有尺度上的平衡状态，偏离对称性表示不平衡。
• 对清醒、轻度SWS、深度SWS、REM睡眠及癫痫发作状态进行对比分析，以识别状态依赖性的E-I动力学特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在正常人类与猴子新皮层活动中，兴奋与抑制活动是否在多个时间尺度上保持一致的平衡？
• RQ2 在清醒、轻度SWS、深度SWS及REM睡眠等不同脑状态下，E-I平衡的程度如何变化？
• RQ3 与正常脑状态相比，局灶性癫痫发作期间E-I平衡的破坏程度如何？
• RQ4 是否能通过E-I集合对的重归一化矩阵量化E-I相互作用的动态特征？

主要发现

• 在所有尺度上，RS与FS细胞的集合幅值分布均相似，表明兴奋与抑制之间存在稳健的多尺度平衡。
• 在轻度慢波睡眠、REM睡眠及清醒状态下观察到轻微的E-I平衡偏离，提示存在细微的状态依赖性调节。
• 在深度慢波睡眠期间检测到对称平面与绝对平衡的中度偏离，表明E-I动力学出现短暂偏移。
• 在局灶性癫痫发作期间观察到E-I平衡的完全崩溃，集合活动未恢复对称性。
• 重归一化方法成功量化了动态E-I特征，并揭示E-I平衡在所有正常脑状态中均得以维持。
• 本研究证实，兴奋-抑制平衡是正常新皮层功能的基本且稳定的特征，仅在癫痫等病理状态中被破坏。