[论文解读] The cell-type specific connectivity of the local cortical network explains prominent features of neuronal activity

Tobias C. Potjans, Markus Diesmann|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2011

Neural dynamics and brain function参考文献 91被引用 9

一句话总结

本研究通过整合电生理和解剖连接图谱，解决了皮层网络模型与在体记录之间长期存在的差异，揭示了细胞类型特异性、分层连接结构——尤其是抑制性反馈和前馈环路——能够解释L2/3和L6中非同步不规则活动及低兴奋性放电率的机制。统一模型在不调节单个神经元属性的情况下，成功再现了实验记录的自发活动与诱发活动模式。

ABSTRACT

In the past decade, the cell-type specific connectivity and activity of local cortical networks have been characterized experimentally to some detail. In parallel, modeling has been established as a tool to relate network structure to activity dynamics. While the available connectivity maps have been used in various computational studies, prominent features of the simulated activity such as the spontaneous firing rates do not match the experimental findings. Here, we show that the inconsistency arises from the incompleteness of the connectivity maps. Our comparison of the most comprehensive maps (Thomson et al., 2002; Binzegger et al., 2004) reveals their main discrepancies: the lateral sampling range and the specific selection of target cells. Taking them into account, we compile an integrated connectivity map and analyze the unified map by simulations of a full scale model of the local layered cortical network. The simulated spontaneous activity is asynchronous irregular and the cell-type specific spontaneous firing rates are in agreement with in vivo recordings in awake animals, including the low rate of layer 2/3 excitatory cells. Similarly, the activation patterns evoked by transient thalamic inputs reproduce recent in vivo measurements. The correspondence of simulation results and experiments rests on the consideration of specific target type selection and thereby on the integration of a large body of the available connectivity data. The cell-type specific hierarchical input structure and the combination of feed-forward and feedback connections reveal how the interplay of excitation and inhibition shapes the spontaneous and evoked activity of the local cortical network.

研究动机与目标

• 为解决皮层微环路中模拟活动与在体神经元活动之间的持续不一致，特别是L2/3兴奋性神经元的低自发放电率问题。
• 识别该不一致的根本原因，检验其是否源于连接图谱不完整或模型假设错误。
• 通过整合电生理（Thomson et al., 2002）与解剖（Binzegger et al., 2004）数据，并结合光刺激与电子显微镜的额外证据，编制一份全面、集成的连接图谱。
• 通过大规模分层皮层网络的全模型仿真验证统一连接图谱，确保其与清醒动物在体记录的一致性。
• 阐明特定抑制性与兴奋性连接基序如何塑造不同细胞类型在皮层各层中的活动动力学与功能角色。

提出的方法

• 通过整合最全面的电生理（Thomson et al., 2002）与解剖（Binzegger et al., 2004）数据集，构建统一连接图谱，解决了横向采样范围与目标细胞选择之间的差异。
• 引入光刺激（Dantzker & Callaway, 2000；Zarrinpar & Callaway, 2006）与电子显微镜（McGuire et al., 1984）的额外实验约束，以优化投影特异性，特别是抑制性中间神经元的连接。
• 基于组织学计数的现实神经元数量，构建包含兴奋性与抑制性神经元群体的全尺度多层皮层网络模型（L2/3、L4、L5、L6）。
• 采用平衡随机网络模型原理（Brunel, 2000a）标定突触强度、延迟与外部输入，确保非同步不规则活动的稳定性。
• 使用1 mm²皮层体积模型，包含64,000个神经元，整合丘脑皮层与背景输入，以模拟自发活动与瞬时诱发活动。
• 分析细胞类型特异性放电率、输入结构与活动传播模式，将结果与清醒动物的在体数据直接对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何以往的皮层网络模型无法再现活体中观察到的L2/3兴奋性神经元低自发放电率？
• RQ2 连接图谱的完整性差异——特别是横向采样范围与目标细胞选择——如何影响模拟网络的动力学？
• RQ3 细胞类型特异性抑制性反馈与前馈投射在塑造非同步不规则活动与层特异性放电率中发挥何种作用？
• RQ4 能否通过整合电生理、解剖与功能数据的连接图谱，再现活体活动的关键特征，包括瞬时响应模式？
• RQ5 不同兴奋性神经元群体（L2/3e、L4e、L5e、L6e）的分层输入结构如何决定其独特的活动动力学与功能角色？

主要发现

• 集成连接图谱成功再现了所有细胞类型的非同步不规则自发活动，与清醒动物中的在体观察一致。
• L2/3兴奋性神经元表现出低于1 Hz的自发放电率，与实验记录一致，这一特征此前因连接图谱不完整而无法在模型中实现。
• L2/3e的低放电率在结构上由来自所有皮层层的强回返抑制与多样化兴奋性输入整合所解释，而非源于神经元内在属性。
• L5兴奋性神经元因接收最多的一级兴奋性输入且抑制性反馈最少，表现出最高的自发放电率，支持其在信号放大的功能角色。
• 模型准确再现了从丘脑输入经L4到L2/3与L5的瞬时活动传播，其时间结构由前馈与反馈抑制调控。
• 抑制性中间神经元主要接收来自多个皮层层的兴奋性输入，解释了其较高的自发放电率，且其靶向特异性投射对网络稳定性至关重要。