[论文解读] Reconciliation of weak pairwise spike-train correlations and highly coherent local field potentials across space

Johanna Senk, Espen Hagen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Neural dynamics and brain function被引用 5

一句话总结

本研究将一个多尺度脉冲发放神经元网络模型扩展至4×4 mm²，保持了生物连接性和神经元密度，同时引入了距离依赖的连接方式与传导延迟。该模型调和了弱的成对脉冲发放序列相关性与强的、空间一致的局部场电位（LFP）之间的矛盾，尤其在低伽马频段（~50 Hz），解释了实验中观察到的LFP空间范围的带通滤波效应。

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.

研究动机与目标

• 将一个生物细节丰富的局部皮层网络模型扩展至4×4 mm²的空间尺度，同时保持神经元密度和连接规则。
• 研究在单一、一致的网络模型中，弱成对脉冲发放序列相关性与强空间LFP相干性是否可以共存。
• 评估该模型是否再现了皮层活动的实验观测特征，包括非同步不规则放电以及距离依赖的LFP相干性。
• 探讨距离依赖连接和传导延迟在塑造群体水平LFP与脉冲发放序列相关性模式中的作用。
• 为近期实验中报告的LFP信号空间上的明显带通滤波效应提供机制性解释。

提出的方法

• 通过按比例增加神经元密度并引入距离依赖的连接概率，将先前已验证的1 mm²网络扩展至4×4 mm²。
• 保留了神经元类型特异性、层特异性以及距离依赖的连接规则，传导延迟被建模为轴突路径长度的函数。
• 使用具有泊松分布、未相关联的外部输入的点神经元网络模拟时空活动，以模拟丘脑皮层和皮层-皮层输入。
• 通过混合方案计算LFP：点神经元的放电驱动形态学详细的多 compartment 神经元，其产生的跨膜电流用于计算细胞外电位。
• 在空间和频带范围内量化LFP相干性和脉冲发放序列相关性，重点关注低伽马频段（~50 Hz）。
• 模型采用周期性边界条件以最小化边缘效应，活动在内部区域进行分析以减少边界伪影。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个大规模、生物约束的网络模型能否同时再现弱成对脉冲发放序列相关性和强空间LFP相干性？
• RQ2 距离依赖连接和传导延迟如何影响LFP相干性的空间结构？
• RQ3 低伽马频段（~50 Hz）活动在增强皮层表面LFP空间相干性方面发挥什么作用？
• RQ4 为何LFP表现出类似带通滤波的空间范围？这一现象能否由网络动力学解释？
• RQ5 该模型对LFP相干性的预测是否与多电极阵列记录的实验观测结果一致？

主要发现

• 扩展后的4×4 mm²网络保持了非同步不规则放电以及各群体间弱的成对脉冲发放序列相关性，与体内感觉皮层记录结果一致。
• 尽管脉冲发放序列相关性较弱，LFP信号仍表现出强空间相干性，其相干性在数百微米范围内衰减，与实验观测相符。
• 低伽马频段（~50 Hz）相干性的增强解释了LFP空间范围中观察到的带通滤波效应，因为该频段在更长距离上表现出最大相干性。
• 该模型的LFP相干性轮廓与实验数据高度吻合，尤其在30–60 Hz范围内，相干性在数百微米范围内保持较高水平。
• 包含距离依赖连接和传导延迟是再现实验观测到的LFP相干性空间衰减的关键因素。
• 该模型表明，弱脉冲发放序列相关性和强LFP相干性并非互斥，而是由于通过分布式长程连接在空间上整合突触输入而共存。