介绍
自Hebb推出以来[1]细胞集合的瞬时形成是理解皮层功能的最基本和最具启发性的假设之一。然而，这种集合的存在和识别是极其困难的，因为它需要一个标准来区分细胞集合内和集合外神经元的活动。假设一个集合中的神经元在其活动中经历类似的变化，则局部场电位（LFP）中的光谱相干反映了与振幅无关的时间相似性[2]单个神经元放电活动的同步性[3]——[6]在对刺激的离散反应过程中，每一种都被独立地用于识别不同皮层部位的功能相关神经元群吗[7]——[9]). 许多研究特别关注LFP的相似性，因为LFP波形的时间属性已被证明携带有关刺激或行为的大量信息[10]——[12]，通常比尖峰更能预测行为[13]——[15]例如，在灵长类动物的运动和运动前皮层中，在自由运动和行为任务执行期间，可以在LFP的β或γ频带中看到跨皮层部位的瞬时锁相[16]——[19]它被提议反映神经元的相互作用[20]在EEG中，瞬时锁相与“格式塔”知觉相关，它清楚地将皮质部位的相位相似性与更高的皮质功能联系起来[21]重要的是，自发或持续的活动与刺激诱发的活动有许多相似之处[22]——[26]事实上，在清醒猴子的皮层活动中观察到了短暂的锁相[10],[23]由于瞬态锁相被发现在不同的时间包含不同的皮层部位，因此在“亚稳态”概念下，这些动力学在文献中得到了广泛的重视[8],[27]——[34]，强调了皮质动力学可能是顺序排列的瞬态关联串的观点。
如果相似性是关联活动的定义属性，那么复制不同部位的活动可能是皮层可以利用的最终相似程度。这种活动的精确复制除了保持信号的振幅外，还需要在广泛的频率范围内进行瞬态锁相。因此，我们分析了自发皮层活动期间跨皮层部位的完整LFP波形的相似性。在安静地坐在录音椅上的两只猴子的运动区、运动前区和体感区的慢性植入阵列中，以及在大鼠皮层的器官型培养物中，记录了持续的活动。我们证明了自发LFP中偏转幅度之间的S形关系，反映了单个皮质部位的聚集神经元活动和相同LFP波形的出现和具有毫秒延迟的其他站点的振幅。我们表明，这种高振幅活动的全部或全部无损传播现象是通过突触传递而产生的。这些结果表明，皮层网络动力学中存在一个“临界点”，类似于在社交网络中传播思想、创新和经济行为的临界点，其中参与代理数量的少量增加可能会突然导致广泛的级联采用。
结果
跨站点的波形相关性随振幅非线性增加
记录了坐在猴椅上的两只猕猴的LFP活动（～40分钟），它们不需要注意刺激或执行运动指令。32个跨越64 mm的微电极阵列2植入左侧运动皮层（M1左边)和一组16个电极，跨度约34 mm2植入左侧体感皮层（S1左边)在猴子A中，16个电极的四个阵列跨越34 mm2分别位于猴B的左右背侧运动前皮质和运动皮层区域（参见[35]有关体内阵列位置和电极配置的草图）。为了进行体外分析，在跨越2 mm的60通道平面集成微电极阵列上生长了数周的大鼠的器官型前额叶和体感皮层培养物中记录了自发的LFP活性2
[36].
LFP已被证明携带有关潜在尖峰活动的大量信息[14],[37],[38]在我们的活体数据集中，LFP（nLFP）的负偏转幅度与放电频率以及不同单元的数量相关，表明nLFP幅度反映了局部神经元群的放电频率和同步程度[35]类似地，nLFP与体外培养中神经元峰值出现的时间密切相关[39]因此，我们将关注期定义为从基线开始的持续负偏移（即nLFP；)其峰值超过了根据信号标准偏差（SD）的连续倍数定义的阈值。这些nLFP的持续时间变化很大。平均持续时间随着阈值增加到-1.5 SD，然后几乎没有变化，如果有的话，在猴子A和B中，高振幅的nLFP达到约170 ms，在体外达到60 ms().
增加nLFP振幅与向广泛波形相似性的S形过渡有关。（A） nLFP定义为完全负偏移(粗线条)从基线或平均活动(虚线). 如果超过负阈值，则确定重要的nLFPn个乘以从记录的总时间过程中估计的标准偏差（−n SD）。nLFP的振幅和时间对应于负峰值。（B） nLFP触发的与时间对齐和最佳匹配（高达±n个ms时间偏移）周期(左边). 作为对照，将nLFP触发期与类似持续时间的随机期进行比较(中间的). LFP片段的先验相似性是从随机、时间对齐的片段中估计的，其持续时间分布与nLFP片段相匹配(正确的; 另见D）。颜色代码扩展到（D）和（E）。（C） 通过计算相关性比较波形R（右）时间序列。两个站点A和B的同时波形示例R（右） = 0.5、0.65和0.8。（D） nLFP的平均持续时间±SD作为nLFP阈值（M1）的函数左边; 猴子A；猴B所有四个阵列的平均值；的平均值n个 = 6种文化）。（E） 相关性分布R（右）nLFP触发和时间校准之间的（所有电极的平均值）(黑色)，nLFP触发和随机位置(红色)、随机和时间对齐(绿色)如（B）所述的周期显示了体内具有阈值−4 SD的nLFP触发器的大量相关位点(左边; M1级左边; 猴子A）和−9 SD(正确的; 单一文化）。（F） 事件中高度相关站点的平均分数（即。，R（右）≥0.8，阴影区in)随着nLFP振幅超过～1 SD，乙状结肠逐渐增加(虚线; S形配合，R（右）>0.99所有病例），与所有对照组（随机、持续时间和振幅匹配；第页<10−4所有情况）。最佳匹配比较（此处显示的最大偏移为±10 ms）表明总体相关性较高(胰头：最佳匹配比较人为地增加了在±10ms内以低阈值发现高度相关的短片段的可能性）。左侧：M1左边; 猴子A。中间：猴子B中所有四个数组的平均值。对：的平均值n个 = 6种文化。
对于每个振幅阈值，我们在每个通道上随机选择多达250个超阈值nLFP（体内每个阈值4000–8000 nLFP，体外每个阈值10000–15000 nLFP）。对于每个nLFP（我们称之为触发器），我们将其波形与在每个电极上记录的相同周期进行了比较(时间对齐的,)通过计算相关系数R（右）时间序列的时间相似性，它提供了与振幅无关的波形时间相似性度量（中的示例和图S1). 作为对照，我们计算了触发nLFP和其他电极随机选择的持续时间匹配周期之间的相似性(,红色)以及随机、时间对齐段之间的相似性，其持续时间分布类似于触发nLFP(,绿色; 另请参见材料和方法“相关性分析和控制”）。在高nLFP检测阈值下，许多时间对齐的nLFP高度相关。这些相关性的分布显示出一个接近0.9的特征峰，这在对照组中不存在(; M1的代表性分布左边猴子A在−4 SD和一个培养基在−9 SD）。因此，我们系统地评估了相关位点的平均分数R（右）时间对齐比较≥0.8(,灰色区域)当我们将振幅阈值从低SD增加到高SD时(). 值得注意的是，当nLFP振幅超过约−1.5 SD时，在对照组中没有的时间对齐比较中，快速过渡到大部分相关位点(,开放正方形;第页<10−4对于≤−2 SD，两种控制；Kolmogorov-Smirnov（KS）试验）。这表明，从低空间相干状态到高空间相干状态（S形拟合），存在振幅依赖的S形过渡R（右）>0.99,虚线; χ2/DoF<10−4所有案例与R（右）线性拟合的值介于0.86和0.91之间）。躯体感觉皮层S1也存在这种转变左边在猴子A中(图S2A)这表明，根据体外数据，这种转变并不局限于运动皮层。请注意，这里我们使用术语相干指的是一般意义上的波形相似性，而不是更技术性的频谱相干，后者仅限于特定频带。
具有毫秒延迟的相关nLFP时间聚类
为了考虑触发nLFP和其他电极的类似波形之间的潜在时间延迟，我们重复了我们的分析，允许比较窗口（其大小由触发nLFP的持续时间决定）相对于触发nLFP移动高达±10ms()为了确定引起最高相关性的时间变化(最佳匹配). 对于这种最佳匹配比较，向高空间相干状态的S形转变是稳健的(,实心黑色方块). 重要的是，在−1.5 SD以上进行最佳匹配比较的相关位点比例显著增加，这表明许多高度相关的nLFP在时间上发生了转移。我们注意到，当阈值从−1.0 SD降低到0 SD时，波形高度相关的站点比例也增加，特别是对于最佳匹配比较(,胰头在左侧面板中），这仅仅反映了在相对较大的时间窗口内发现短段和短段相关性的可能性增加（参见。，).
对相对于时间对齐位置高达±200 ms的时间偏移进行的系统分析表明，高度相关位点的比例增加到±50 ms的最大偏移，但此后猴子和体外的变化不大(). 因此，其他电极的大多数相关周期发生在触发nLFP的±50ms内。请注意，当阵列上约有30%–40%的可用站点时，相关站点的最大平均分数作为触发振幅的函数，因此，由于阵列大小有限，无法用上限效应来解释σ函数的上部。触发nLFP和其他站点高度相关nLFP之间时间差的平均分布以0为中心，这表明阵列上的任何站点都可能发生高度相关的事件。成对电极的分布相似，表明时间差异是由功能因素而非解剖因素引起的，例如皮层深度的差异(图S3). 正如预期的那样，与最佳匹配比较相对应的时间偏移分布与峰间nLFP间隔密切匹配(,图S2B).
相关波形是临时聚集的。（A） 与相关期间R（右）≥0.8发生在±50 ms内。具有最佳匹配相关性的站点分数R（右）当最大位移增加至±200 ms时，超过±50 ms的平台≥0.8（体内的nLFP阈值为−4 SD，体外为−9 SD；M1左边，猴子A；猴B四个阵列的平均值；平均值超过n个 = 6种培养物）。（B） 触发nLFP和其他电极上高度相关的nLFP之间的时间差分布集中在0。与最佳匹配期相对应的时间偏移(红色)与nLFP峰值之间的时间差密切相关(峰对峰;黑色; M1级左边来自猴子A）。插入：代表性文化。（C） 高度相关的nLFP发生在快速的连续过程中，彼此之间的间隔不到10 ms。使用体内−4 SD和体外−9 SD的nLFP触发器在任何给定电极（M1）上识别的连续相关位点之间的时间间隔密度分布左边，猴子A；猴B四个阵列的平均值；平均值超过n个 = 6种文化）。
当上述高度相关的nLFP根据其在时间上的位置进行排列时，事件间隔的分布表明，类似的nLFPs快速连续出现在阵列上，延迟很少超过10ms(; 另请参见方法用于计算延迟的“时移分析”）。事实上，分布严重偏向于零；即，许多类似的nLFP在同一时间段内达到峰值。我们注意到，nLFP的同时发生并不一定排除传播过程作为潜在机制（见下文）。如所示图S4高度相关的nLFP之间的扩散通常需要一对多级联，而不是严格的一对一序列，从而在级联中产生许多零延迟nLFP。此外，传播速度可能比我们记录的时间分辨率更快，即体内2毫秒，体外1毫秒。在电极间距分别为1 mm和0.2 mm的情况下，1到50 ms之间的时间延迟在体内和体外的传播速度分别为0.02–1 m/s和0.004–0.2 m/s。这个范围通常与器官型切片中刺激诱发的棘波反应潜伏期一致[40]以及刺激诱发波在急性切片中的启动[41].
相关波形在振幅上高度相似
接下来，我们对振幅进行了类似的分析，将触发nLFP的峰值振幅与其他站点的时间对齐比较窗口内的最大负峰值进行了比较(). 当我们将此分析仅限于具有相关波形的站点时(R（右）≥0.8），我们发现归一化的峰值振幅值在1附近窄分布(; M1级左边猴子A；以对数刻度显示；0=日志2（1） ），表明相关波形的振幅高度相似。当分析扩展到包括所有站点时，无论其波形的相关性如何，分布都保持在1左右的峰值，但现在由于包含了许多振幅比小于1的非相似波形，这些波形的平均振幅小于触发nLFP，因此分布变宽。作为进一步的控制，与触发nLFP的持续时间相当的随机段的时间对齐比较在1处缺少尖峰，表明具有类似峰值振幅的波形的先验概率较低。重要的是，具有类似峰值振幅（即在±50%范围内，阴影区）随nLFP振幅阈值的非线性增加，与波形相似性的增加平行(,胰头; 猴B和体外的数据如所示图S5). 当只考虑高度相关的波形时，这种转变同样明显(R（右）≥0.8;,实心箭头)事实上，对于相关性更强的波形，振幅相似性更大。这些结果表明，向一种状态的非线性过渡，在这种状态下，不仅不同位置的波形相似，而且振幅也很相似。
相关波形的振幅相似。（A） 振幅比较示意图，其中每个站点时间对齐窗口内的峰值振幅由触发器nLFP（elec放大器/nLFPtrig公司放大器). 比较时间对齐的随机段作为对照(红色). （B） M1中峰值≤-4 SD的相关波形的对数正态值分布，如（A）所示左边monkey A中的数组仅分布在0左右（即log 1）。无论相关性如何，在所有位置包含波形都会将原始分布扩大到比率<1。在随机段比较中，0处的尖峰不存在。（C） 峰值振幅在nLFP触发振幅±50%范围内的部位分数（B中的阴影区）随着触发振幅的函数非线性增加，且仅相关波形的分数显著增加（见图S4用于猴子B和培养物）。
最后，我们证明，向高相干的空间扩展区域的S形转变并不是由于具有大振幅的nLFP的整体相似性更大，正如人们可能预期的那样，这是由于信噪比提高。我们估计了在遥远的时间发现类似nLFP波形的先验可能性，作为振幅的函数。我们将每个阈值处的nLFP触发器与随机选择的其他电极处振幅相似的nLFPs进行了比较，这些电极距离nLFP触发峰值至少200 ms。这类比较中高度相关的部分(R（右）≥0.8）是体内和体外最高振幅的2到3倍(,蓝色;R（右） = 体内振幅≤−4 SD时为0.12±0.01至0.27±0.01；体外振幅≤-9 SD时为0.52±0.01至0.6±0.01）。这意味着，虽然在时间上聚集的大幅度nLFP高度相似，但在时间上距离较远的集群却高度不同。
相干势序列的可视化
到目前为止，我们已经表明，随着nLFP振幅的增加，会突然过渡到一种状态，在这种状态下，活动模式会出现在大量具有毫秒延迟的站点上，而不会扭曲其时间结构或显著改变振幅。我们将这些具有相似大振幅的高度相似的时间聚集nLFP波形称为“相干电位”，以反映其广泛的空间相干性。考虑到空间相干性的程度可能会有很大的变化，我们在操作上将相干性电位定义为具有超阈值振幅（S形函数的右侧）的nLFP波形，该波形至少发生在网络中的另一个位置，我们提供了单个相干电位的详细可视化，因为它们是在M1的一段记录期间连续出现100个阈上nLFP（即≤−3 SD）时确定的左边在猴子A中（注意，此表示中未使用关于nLFP空间位置的信息）。首先，我们以矩阵形式绘制了所有nLFP峰值之间的时间差()，它揭示了nLFP的时间簇（即相互之间在几毫秒内，黑色–红色沿对角线的正方形）。对应的相关矩阵(，另请参见材料和方法“相干电位可视化”）测量了nLFP波形之间的相似性，揭示了时间聚集的阈上波形（间隔<10ms）在波形上趋于高度相似(红色). 相反，连续时间簇的波形（通常间隔大于50 ms，白色)与随机选择的nLFP相似。因此，在大多数情况下，通过简单地过度绘制彼此之间最大延迟为10ms的连续超阈值nLFP，可以很容易地识别正在进行的活动中的相干电位（注意，根据定义，单个波形不能归类为相干电位，并用星号标记）。这些过曲线图很容易证明相干势内波形及其振幅的相似性，以及相干势间波形的多样性().
相干势序列的可视化。（A） M1中阵列上时间连续发生的100个超阈值nLFP（≤−3 SD）的时间延迟矩阵左侧大多数nLFP形成紧密的时间簇（“A”、“b”、…、“o”；黑色)与连续簇分离良好（即>50ms，白色). 簇是相干势的潜在候选。时间延迟的颜色编码基于高度相关的nLFP之间的延迟范围(R（右）≥0.8; 看见)其中～95%<10 ms(黑色)，～4%在10到25毫秒之间(黑色——红色)，百分之一的分数在25到50毫秒之间(红色——灰色)，实际上没有一个大于150ms(白色). （B） 波形相关性的对应矩阵。集群内的nLFP波形（最大延迟10ms）往往高度相似(黑色——红色;R（右）≥0.8），即相干势。簇间的nLFP（即连续相干电位）与随机nLFP相似(白色). 波形相似性的颜色代码基于nLFP触发和随机时间对齐比较的相关性分布（参见。，).红色以下为：R（右）≥0.8，相关性大致在峰值附近.灰色–白色: 0.6<R（右）<0.8，nLFP触发比较峰值与随机比较交叉点之间的相关性。白色以下为：R（右）≤0.6，无法与随机区分。（C） 与簇“a”到“o”对应的波形的过采样。相干电位由来自阵列上至少两个在波形和振幅上高度相似的位点的超阈值nLFP组成。注意相干势中nLFP波形的相似性和连续相干势之间的可变性。星号：不符合相干电势操作定义的单个波形，至少需要两个位置。下面：群集“n”的详细信息。该簇的特征是波形具有相对较短的持续时间nLFP。因此，最佳匹配的nLFP比较仅不完全捕捉到长时间（约300 ms）内波形的相似性面板（D）中nLFP波形的相应相关性揭示了时间簇内的“棋盘格”模式，表明少量不同波形的混合，即时间重叠但空间分离的相干电位。（F） 从面板（d）的时间簇“a”到“d”的波形过陷。虽然基于简单时间标准（即最大延迟10 ms）的过曲线图不会产生相同的波形，但根据相关阈值标准（此处R（右）≥0.8）容易发现时间混合的多重相干电位。因此，时间簇“a”由五个不同的波形组组成，其中三个被识别为相干电位，而时间簇“c”由五种不同的波形组成，其中一个波形与簇“b”组合，三个波形与集群“d”组合（色码表示重新组合；星号：不符合相干电位操作定义的波形）。
在其他情况下，超阈值nLFP的时间集群的界限不太精确(; 例如，集群一和c（c）)在相关矩阵中反映出时间上相互交织的相干潜力，从而形成“棋盘式”组织(). 这里，虽然基于简单时间标准（即最大延迟10 ms）的过曲线图没有产生相同的波形，但根据相关阈值标准对波形进行排序（这里R（右）≥0.8）很容易发现时间混合的多重相干电位(). 因此，时间簇一由五个不同的波形组组成，其中三个是相干电位，而时间簇c（c）由五个不同的波形组成，其中一个波形以簇的形式分组b条三个带簇d日（请参见图S6体内和体外的更多原始相干电位痕迹）。
相干电位具有光谱多样性，负-正波形
然后，我们更详细地研究了相干电位的波形特征，并在第一步中询问nLFP的负偏移是否描述了它们的全部时间范围（参见。，; 簇“a”、“b”、“n”）。对于每个超阈值nLFP（体内≤−4 SD；体外≤−9 SD），我们系统地将nLFP峰值前后的比较时间增加了±500 ms()或直到R（右）<0.8. 确定的持续时间R（右）≥0.8，分布有一条沉重的尾巴，跨度大至500ms，中值为200ms（猴子a，M1左边)分别为178±22 ms（猴子B，四个阵列的平均值）和92±12 ms（体外）(n个 = 6种文化）。因此，相干势可以持续数百毫秒。在此期间，大多数相干电位包括与基线的一个负偏移和一个正偏移的组合（>90%；). 事实上，几乎不到10%的相干电位延伸超过三个基线交叉点，这是两个周期振荡的最小期望值，表明它们并非源于潜在振荡。
相干电位是频谱上不同的负-正波形。（A） 示意图显示了确定nLFP周围各站点保持相关性的时段的方法R（右）≥0.8. 从给定电极上确定的nLFP峰值开始（体内≤−4 SD，体外≤−9 SD），时间对齐比较周期(灰色)每个方向都增加了(箭头)高达±500 ms或直至R（右）跌至0.8以下。持续时间被视为两个方向的组合周期。（B） 猴a（M1左边)和猴B（四个阵列的平均值），以及体外92±12 ms(n个 = 6种文化）。（C） 相关持续时间内负偏移数的相应分布。大约90%只包括一次基线交叉，这表明相关时期通常包括一次负偏移和一次正偏移的一部分。在剩余部分中，具有R（右）≥0.8扩展到具有指数递减可能性的多个负偏移。这表明，nLFP周期捕获了负峰值周围全部相关性的很大一部分，验证了我们专注于nLFP的初始方法。（D） 体内相关周期的功率谱密度(左边,中间的)和体外试验(正确的)显示出较高频率的系统衰减(黑色)，类似于非相关周期的功率谱(红色)和完整的录音(灰色). （E） 相干势涉及频率之间的特定相位关系。中位数相关性（R医学相干电位±SD）(R（右）≥0.8）。
值得注意的是，相关性最高的时期是在快速上升阶段开始的，通常在−1 SD标记附近，但在最后一次阈值跨越后持续了数百毫秒(图S7). 因此，虽然nLFP本身并不能描述相关性的全部程度，但对于本研究而言，它是一个充分的近似值，并提供了提取感兴趣周期的有用方法。
相干势的功率谱密度（PSD）很少显示主导振荡。我们计算了负分量（即nLFP）至少为256ms长的相干电位的PSD，精确地使用256ms进行功率谱分析。这些段的短将PSD的可靠区域限制在频率>4 Hz的范围内，PSD在该范围内表现出系统衰减，而在总体上没有任何主频带()以及在个体相干电位水平上。在与其他站点无关的相同持续时间内观察到类似的衰减（即−0.3≥R（右）≤0.3,红色)和完整的录音(). 为了获得4 Hz以下频率的更准确视图，还考虑了触发nLFP周围±4 s的较长分段，但衰减也没有主导频率（参见图S8A、S8B单个段的示例）。因此，虽然相干势并不反映特定的振荡周期，但这并不排除某些相干势可能具有振荡分量的可能性。事实上，自相关分析揭示了一小部分个体相干势中不同频率的振荡分量(图S8C). 重要的是，当相干电位被相位混淆时，位点之间的相关性被破坏()表明相干势涉及频率之间的特定相位关系。
快速突触传递产生的相干电位序列
向高时空一致性的非线性过渡关键取决于快速兴奋性和抑制性突触传递。在培养基中，如果可以控制药物操作，则使用2µM AMPA受体拮抗剂DNQX减少快速兴奋性突触传递(n个 = 3） 减少了与R（右）≥0.8乘以50%以上，尤其是在较高振幅下(;第页<10−5nLFP触发器≤−9 SD；注意，为了避免因药物存在时LFP振幅分布的变化而产生任何失真，用于药物前和药物比较的振幅值是与药物前SD相对应的绝对振幅值）。同样，DNQX应用也显著降低了振幅相似的相关位点的比例(第页<10−4;). 这种对AMPA受体介导的活性的依赖性表明，在不同部位出现类似时间进程和振幅的波形主要是快速突触传递的结果，不能简单地用体积传导、重叠电极场或电极过滤特性来解释。
相似波形的空间传播取决于快速的抑制性和兴奋性传播。（A） 降低AMPA谷氨酸受体介导的兴奋（2µM DNQX）降低了所有阈值下相关位点的比例(第页<10−3，振幅阈值≤−2.5 SD；此处和B中显示的是±10 ms内的最佳匹配值）。这两种情况下使用的阈值对应于用药前的绝对振幅值。（B） DNQX还显著降低了高度相关波形的振幅相似性（即，振幅在所选触发器的50%以内）(R（右）≥0.8）在所有阈值(第页<10−5). （C） 减少GABAA类-受体介导的抑制（5µM Picrotoxin，PTX）破坏了与振幅增加相关的乙状增长，降低了高阈值下的相关程度，增加了低阈值下的相关性程度。（D） 与（B）中的类似比较n个 = 在5µM PTX之前和存在下的3种培养物表明，在减少快速抑制的条件下，振幅相似性也降低(第页<0.05). 此外，振幅可变性增加，如较大的误差线所示。（E） 振幅≤-9 SD的波形示例在（用药前）和PTX（+PTX）存在下暂时聚集（<10 ms间隔），表明抑制减少时波形相似性显著损失。
部分减少快速抑制性突触传递也有很强的效果，与DNQX不同(). 5µM GABA的应用A类受体拮抗剂苦毒毒素（PTX，n个 = 3，中的原始跟踪示例图S9)破坏了S形振幅相关性，因此相关位点的比例不再依赖于nLFP触发振幅(). 高振幅nLFP触发器的最大空间相干度降低了约30%(;第页<10−2对于nLFP触发器≤−9 SD），并且在小振幅下伴随增加。此外，PTX显著降低了高度相关波形的振幅相似性(R（右）≥0.8;,第页<0.05）引入了更大的振幅变化。事实上，与给药前条件相比，高振幅nLFP的时间聚集序列的波形相似性要低得多(，参见。，). 因此，快速突触抑制是存在不同低相干和高相干机制所必需的。
研究发现，在PTX存在的情况下，具有类似低振幅和可比较持续时间的波形具有较高的空间相干度，这表明噪声不足以解释正常条件下小振幅信号的低空间相干度。因此，在较高振幅下向更高相干度的S形转变不能用信噪比的增加来解释。这也得到了整体LFP振幅分布与体内外高斯拟合的大偏差的支持(图S10)这表明，在发生非线性转变的−2到−3 SD范围内，常见的高斯噪声几乎没有影响。
快速继任中出现的一致性潜力表现出顺序依赖性
上一节表明，高空间相干状态反映了活动的无损耗、无畸变传播，而活动的无失真传播主要依赖于快速AMPA和GABAA类介导的突触传递。接下来，我们系统地研究了连续发生的nLFP之间的关系()确定相干电位的高阈值区域是否存在唯一的序列依赖性。序列依赖性的证据也可以证明存在皮层下输入的体内固有传播过程。
大振幅nLFP稳定传播，表现出顺序依赖性，而小振幅nLFPs传播具有渐进畸变。（A） nLFP序列是在两个阈值下构建的(左边)以及过渡到高空间相干之后(正确的; 囊性纤维变性。，). （B） 对第一个nLFP和其峰值出现在连续时间段内的nLFP进行了比较（即按顺序；顶部)以及由时间匹配间隔分隔的nLFP之间（即空箱；底部). （C） 中值波形相关性（R医学)在大振幅nLFP序列中（体内≤−4 SD，顶部; ≤−9体外SD，底部)相对于第一个nLFP保持稳定(填充的正方形;红箭)，而nLFP的相关性由相似增加的间隔分开(开放正方形)逐渐衰减到随机中值(随机的，随机的,红线). （M1左边，猴子A；猴B四个阵列的平均值；平均值超过n个 = 6种文化）。（D） R（右）医学对于小振幅nLFP序列(填充的正方形; ≤−体内1.5 SD，顶部和体外−3 SD，底部)相对于第一个nLFP衰减到不优于随机(红线)类似于通过增加间隔分隔的nLFP(开放式广场).
考虑到相关波形往往是类似高振幅的nLFP()站点之间的时间延迟与nLFP波形的峰值对齐密切相关()，序列被定义为在阵列上的任何位置识别出的nLFP，其峰值超过了某个阈值，并在2 ms的连续时间段内出现(). 为了简单起见，虽然连续的时间段通常包含多个nLFP（参见。，图S4).
我们首先检查了nLFP峰值序列，这些峰值超过了由高空间相干性的乙状曲线顶部过渡确定的阈值(; −体内4 SD；−9体外SD；囊性纤维变性。，). 我们推断，如果跨站点的nLFP波形相似性是皮层网络固有的一个连续的、无损耗的过程，那么nLFP就会发生n个ms，形成序列的一部分(,顶部)相对于由非序列组成部分的相似时间间隔分隔的振幅匹配的nLFP，序列中每个步骤的波形相似性更稳定(,底部). 值得注意的是，序列中的nLFP相对于初始nLFP的相关性高度稳定；在体内9个时间步长（≈18 ms，,顶部)在体外12个时间步长内从～0.78到～0.75（≈12 ms，,底部). 相比之下，由相应的较大间隔分离的nLFP之间的相关性明显不如序列内对应物(第页<0.02至第页<10−5通过KS测试），在15至30ms内衰减至不优于类似振幅的随机nLFP的比较(,开放式广场; 中位随机相关性在体内分别为0.47和0.49±0.013，在六种培养物中分别为0.58±0.03，第页<10−4与相比时在内部所有情况下的序列相关性）。与相干势的这种行为形成鲜明对比的是，序列主要由小的或阈下的nLFP构成，即在过渡到高空间相干状态之前()，以与体内和体外间隔匹配比较无差异的方式逐渐衰减为随机(). 因此，时空相干性的S形增长反映了从序列内波形时间过程的渐进畸变状态到稳定保持波形幅度和时间过程的空间扩展序列的过渡。
在体外，没有皮层下输入来源，这表明皮层网络固有的明确的顺序过程。在体内，这种顺序依赖性不太可能来自皮层下输入，类似于皮层的传播。然而，我们还考虑了另一种可能性：皮层下输入在皮层下振荡（例如丘脑皮层纺锤体）的连续周期中到达不同的位置，从而产生间接的顺序依赖性。与此场景不一致的是个人至少有十个相关nLFP的序列(R（右）≥0.8）广泛分布(图S11; 参见，也)表明没有任何特征时间尺度。因此，所有证据都指向体内和体外皮层网络固有的顺序过程。
一致性潜力以讽刺的方式传播
皮层中的传播被广泛描述为波浪状。因此，我们观察传播是否在波前逐渐移动。因为连续相干电位之间的时间延迟分布广泛（参见。，)，在一个大序列中，不可能确定单个相干势的真实发生顺序。因此，我们将分析局限于相干势的情况，即在相同或相邻的时间段内只有两个高度相关的nLFP。值得注意的是，无论时间段宽度如何，在这两种猴子中，发生在相同或相邻时间段的相关nLFP波形对中，超过70%不在相邻电极上(所示为时间段Δt=2和20 ms）。此外，在相同或相邻的时间段内发生的大幅度nLFP（≤−3 SD）的中值相关性没有差异，无论它们之间的距离如何(). 因此，没有证据表明存在与距离相关的畸变。令人惊讶的是，这指向了与波完全不同的非接触或跳跃传播，并且明显与体积传导和重叠电极场的预期相反，在相邻位置会发现类似的波形。
相干势以跳跃方式传播。（A） 线性三电极阵列示意图，显示了空间相邻的示例(顶部)和非接触(底部)同时激活电极(左边)或连续(正确的)时间分辨率Δt下的nLFP。（B） 体内70%以上的相干电位峰值出现在相同或连续的时间段内，而不在相邻电极上，与所选时间段大小无关（所示Δt=2ms和Δt=20ms）。（C） 中位数相关性R医学体内两对nLFP之间超过−4 SD阈值并不取决于电极之间的距离。（M1）左边，猴子A；猴子B中四个数组的平均值）。
相关的nLFP波形具有更多相关的单元点火模式
我们之前在现有的体内数据中表明，较高的nLFP振幅与较高的局部放电率以及较高数量的同时放电神经元或同步性系统相关[35]这表明振幅反映了一定程度的尖峰同步性或总尖峰活动，从而证明了特定波形模式反映尖峰活动特定模式的可能性。因此，我们寻找与相干电势传播相关的棘波活动潜在模式保持的证据。
虽然我们的LFP记录代表了电极局部场中数百个神经元的聚集活动，但只有极少数靠近电极的单元可以被解析，代表了对聚集活动起作用的神经元的极少量采样。大多数电极可以分辨出一个或两个单位，而一小部分可以分辨出三个或四个单位。事实上，通常没有检测到与连贯潜力相关的单元，这表明被解析单元缺乏参与。因此，我们的分析必然局限于那些具有相关单位活动的连贯性潜能。这些信号分布在许多序列中，提供了丰富的波形多样性，因此在不同的、不同的相干电位内和之间存在波形相关性。因此，我们比较了作为相关相干电位波形相似性函数的单位活动总模式（即峰值≤-4 SD的nLFP；参见。，). 通过计算6ms时组合的单位光栅的点积进行比较，仔细控制比较的单位数和持续时间，这两个因素都会影响相似度的先验期望（参见材料和方法详细信息）。事实上，我们发现不同地点的相干电位波形相关性越强，总单位活动模式越相似(; 线性拟合，M1左边猴子A：R（右） = 0.96,第页<10−4; 猴子B：R（右）>0.94,第页<0.005，所有阵列）。在2到10毫秒（未发布的数据）之间的单元装箱中观察到类似的模式，此处显示的6毫秒代表一个中点。图中显示了一些保留尖峰时间模式的案例.
单位活动时间模式的相似性随着波形相似性的增加而增加。（A） 单位活度的相似性计算为nLFP峰值附近不同时间段垃圾箱宽度的总单位活度点积。为了控制峰值的持续时间和数量，所选的周期对应于至少200 ms持续时间的相干电位，正好有两个单位出现。示例显示，两个电极上的总单位活动导致10 ms箱子宽度的点积为1。（B）单位活动的相似性与两只猴子的LFP波形相似性正相关。绘制成与相同周期和电极对应的LFP波形相关性函数的成对电极的总单位活度的点积。（C） 两个或多个电极上高度相关的nLFP示例，每个电极上都有>3个单位，并且每个单位的活性也高度相关。
这些发现有力地支持了一个最意想不到的结论，即当一个局部区域中许多神经元的活动充分同步时，这些神经元的聚集活动能够传播到遥远的位置，而不会改变整个时间模式或参与神经元的数量。
讨论
这里，我们在LFP中识别了一个准离散网络对象，我们称其为相干势这在具有非线性关系的高振幅下出现。相干电位的特征是由超过特定局部振幅阈值的负-正偏移组成的复杂波形，并与突触传递依赖性跳跃有关，通过皮层网络级联传播，其时间结构没有畸变或振幅没有实质性变化。根据LFP振幅的S形函数，从波形以渐进失真（亚阈值电位）传播的状态转变为没有这种失真的状态（相干电位），这表明存在阈值相关过程。这种现象不能用较高振幅下的信噪比增强来解释(,,,第10节)、体积传导、重叠电极场、电极特性(,,)或来自皮层下部位的常见输入(,,第11节). 相反，它出现在外植体皮层组织和清醒猴子的皮层中，表明它是皮层网络的固有特性。这与动作电位有着现象学上的相似之处，动作电位描述了一个穿过局部可兴奋膜片的大幅度电位，它代表了一个非线性状态，其中活动以无损的方式传播。然而，与动作电位不同，动作电位是定型的波形，相干电位的波形高度多样化。不同的相干电位由连续发生的nLFP组成，通常以动态关联流的形式快速连续发生()代表大脑皮层网络从一种动态状态到另一种动态的可识别转换。
相干电位、波、合成链和神经元雪崩
相干电位的传播本质上是跳跃的，而不是波浪式的，经常在相邻的位置上“跳跃”()这样传播的保真度就不会受到物理距离的影响(). 如何使用从电压敏感染料成像到LFP和尖峰记录等技术，将这种现象与皮层中普遍报道的波状传播相协调[10],[42],[43]? 虽然这一点尚待明确理解，但我们提供了一个可以调和这两个发现的假设框架。相干电位出现在体内−4 SD和−9 SD的高阈值在体外因此，仅代表皮层中nLFP活性的一小部分（<1%）。这意味着，一项措施所衡量的大多数活动本质上都是低于阈值的。因此，在不了解无损传播的阈值相关过程的情况下，可能会同时包括亚阈值和超阈值活动，而其他动力学，例如波传播，可能会占据主导地位。因此，我们认为，阈下网络活动可能以类似于神经元中阈下去极化的波状方式传播。我们注意到，波和相干势的传播在很大程度上取决于抑制[41]。未来了解机械的相似性和差异将是很有趣的。
向无损传播过渡的振幅依赖性表明相干势的特征是局部场中存在一定程度的同步[35]理论表明，同步性的传播可能与单个尖峰不同。例如，前馈网络中的synfire链模型报告说，初始同步组的大小以阈值相关的方式决定传播命运[44],[45]然而，在这些基本模型中，随着活动的传播，会收敛到一个简单的波形，这与相干电势相反，相干电势的波形可能高度不同，并且在传播到其他站点时，波形或潜在同步群的原始时间特性保持不变。这种解释将局部nLFP的时间进程等同于到达synfire链单层的输入的同步，其中相干势本身在空间上延伸到不同的站点，将反映链的不同、空间上不同的层。或者，也符合一般观点，即只有锥体神经元之间的局部连通性才足以维持一条合成链[44],[46]nLFP时间过程可以反映局部synfire链的同步时间过程。在这种情况下，相干势将通过模拟几个通过长程连接弱耦合的链来反映远距离合成链的锁相，正如成分研究中所建议的那样[47].
此外，一旦以这种方式招募，网站可能会被锁定在反复的交互中，从而在短时间内“吸引”每个网站参与共同的活动模式。这种解释与相干电位相对于快速传播时间尺度（通常为几毫秒）的长持续时间（几十到数百毫秒）相一致，并得到皮层网络中观察到的高度互易连接的支持[48]——[51]这种解释与吸引子神经网络或希伯来细胞集合构造的基本原理类似[1],[52]波在皮层区域的传播中也描述了反复相互作用的证据[53]这种实际现象也提出了一个有趣的问题，即相干电位如何跨皮层区域传播，以及起源于不同皮层区域的相干电位如何相互作用。
最后，我们注意到，在本研究中使用的每个数据集中，nLFP都被证明是以神经元雪崩的形式组织的[35],[54]神经雪崩组织是一种统计特性，其特征是nLFP在时间和空间聚类中具有尺度不变性，这表明理论上传播可以在广泛的时间尺度上跨越整个皮层[55]此外，快速GABA能量传递的部分减少消除了神经元雪崩动力学[35],[54]以及相干势的S形依赖性（cf。，). 因此，进一步理解相干电位区域的乙状、非线性转变（反映无畸变传播）以及神经元雪崩背景下nLFP的一般尺度内变异组织（可能支配连续相干电位的组织）具有相当重要的意义。
相干势传播的机制
在具有相似LFP波形的现场，聚合单元射击模式的相似性更大()表明相干电位传播反映了潜在神经元活动的时间特征的保留。考虑到电极噪声和参与神经元相对于每个电极的空间排列导致在不同位置观察到的波形差异[56]相干势在网络中传播的精度可能比我们测量的还要高。振幅依赖性和高相关周期在峰值前几毫秒的上升阶段的启动(图S7)这表明，正是活动本身的同步起到了触发器的作用。事实上，在单个神经元的水平上，通过改变尖峰形成的阈值，增加输入的同步性会导致输入-输出关系的精度和可靠性非线性增加[57]——[60]计算模型还表明，快速抑制在调节输出精度和可靠性方面起着关键作用[61]——[63]，与相干势传播对GABA的依赖性一致A类依赖传输。然而，即使在单细胞水平上有了这些发现，如何将本地同步的活动以全方位或全方位的方式定向到另一个站点仍有待理解。
相干势和振荡
与只能用作二进制代码的定型动作电位不同，相干电位波形的多样性代表了高维自由度，可用于编码信息。相比之下，相干电位证明了频谱复杂波形的维持，因此表明了在广泛的分量频率范围内站点之间的锁相或频谱相干。虽然我们数据中的相干电位没有显示主频，但这并不排除它们在某些刺激或行为条件下的波形中显示出明显的振荡成分。实际上，在一小部分情况下，我们确实发现了振荡分量(图S8). 我们提出振荡行为可能代表一类相干电位，类似于动作电位的突发，其中波形相关的持续时间可以扩展到更多的正负循环。当然，这一命题必须经过经验检验，但它指向了LFP分析的一种新方法，通过不将分析限制在特定频带，可以在LFP波形的复杂结构中包含的信息中做出更精细的区分。
相干势的可能功能含义
由此产生的一个基本问题是，如何协调失去刺激的外植体网络和处于清醒状态的动物在功能环境中出现的类似关联。这里我们认为，正如动作电位是由培养皿中细胞的固有特性产生的，但通过输入输出反馈机制，即相干电位，在完整生物体中具有意义，相干电位可能代表尖峰活动的聚集，凭借皮层网络的固有属性而产生，并以类似的方式呈现意义。LFP波形的时间特性通常比峰值更好地预测行为[10],[12]——[15],[64]——[66]与这种解释一致，表明相干电位在体内的传播代表了皮层网络中有意义信息的传递。
传播的相干电位序列以动态关联流的形式快速连续出现()代表皮层网络从一种动态状态到另一种动态的可识别转换，这是“亚稳态”的标志[8],[27]——[34]然而，问题仍然是大脑皮层如何利用相干电位这一特殊现象，即许多位点以毫秒延迟相互镜像，反映信息的传输而不失真。一种可能性是，这种传播可能是工作记忆的一种形式。然而，为了引发争论和讨论，我们提出了一个更为激进的假设，从这个类比中可以看出思想、创新和经济行为在社会网络中的传播，而这些往往会显示一个阈值或“临界点”因此，参与代理数量的少量增加可能会突然导致广泛的级联采用[67],[68]。最初采用这种想法或行为通常发生在地理位置相近的代理之间[69],[70]论小世界原则下的网络[71]类似于在皮层网络中观察到的[72]——[75]“引爆点”通常是在个体代理通过整合来自其当地朋友邻居的传入信息来做出二元决策（例如，购买或不购买）的情况下建模的[76]与神经元的“整合与激发”特性密切相关。我们认为，信息竞争渗透大脑皮层的方式可能类似于思想竞争渗透社会的方式，源于各种感官领域，就像思想从专门领域或专注于特定主题或活动的领域在社会中产生一样。也许是这样的情况，当跨越多个皮层区域的足够多的位点采用了特定的皮层信息模块时，这现在有能力影响有机体的行为。这种假设并非完全没有根据。例如，协调的皮层活动已被证明与运动行为有关[10],[17]研究发现，电压敏感染料信号从皮层的感觉区传播到运动区及其振幅与动物的挥舞行为有关[77]，在许多电极上的平均LFP波形中发现的差异已被证明是编码行为[78]我们注意到，体内相干电位波形的多样性远大于体外，这表明关联环境更丰富，我们建议对相干电位波形及其与行为相关的空间分布进行综合表征，对于广泛的认知功能。
材料和方法
非人类灵长类体内记录
杜克大学ACUC批准了所有程序。将单极钨电极阵列（直径30µm，阻抗1 mΩ；间距1 mm）慢性植入两只成年恒河猴的皮层(猕猴)[79]简单地说，将阵列插入运动皮层（M1）腿部代表区域1.5 mm深左边)体感皮层深1mm（S1左边)在猴子A的左半球，在猴子B的左右运动皮层（M1）的手臂代表处同样植入了四个阵列左边，M1型正确的)和背侧运动前皮质（PMd左边、PMd正确的)（有关电极布置和阵列位置的草图，请参见[35]). 在这里分析的～40分钟长的录音过程中，猴子醒着，坐在猴椅上，录音室的灯关闭。在500 Hz（National Instruments）下对LFP进行采样，并使用MATLAB中的理想滤波器功能在1到100 Hz之间过滤带通。随后对M1的结果进行了验证左边在猴子A中使用相位中性滤波器（MATLAB滤波器函数“filtfilt”图S12). 两种过滤方法之间没有发现差异。
在40 kHz下对细胞外峰值活动进行采样，并在0.4–8 kHz下使用2极低截和4极高截滤波器进行带通滤波。离线单位识别基于主成分分析和尖峰模板匹配（有关详细信息，请参阅[79]). 在M1中进行了同步记录左边和S1左边（猴子A）和M1和PMd中的四个数组（猴子B）。LFP和单位活度同时从每个其他电极取样，从而得到M1的32个电极左边和S1左边使用双放大器Plexon系统，用于猴子A和猴子B中每个阵列16个电极(和第5章; 填充圆）。一个硬膜外不锈钢T形螺栓，距离所有记录区域至少20 mm，作为共同点（有关电极位置和阵列位置的详细草图，请参见[35]). M1中解析的68个单位左边（32个电极）平均发射频率为4.3±3.7 Hz。对于猴B的四个阵列，平均分辨出47±13个单位（16个电极/阵列），发射频率为5.7±1.8 Hz。猴子A和猴子B的单位射击率没有显著差异（Student’s吨测试，第页 = 0.3).
记录中的某些时段表现出较高的振幅、慢波活动，这是睡眠纺锤波的特征（1–10 Hz时为90%的功率[80]); 显示这种活动的通道>50%的周期分别占猴子A和猴子B记录的6%至12%，并且贡献了5.5%至9.5%的高振幅nLFP（≤−3 SD），与其余记录没有实质性差异。
体外器官型切片培养
如前所述制备器官型皮质切片培养物[36],[54]简单地说，在平面集成60通道微电极阵列（8×8网格；直径30µm的氮化钛电极；多通道系统）上生长出生后第1-2天大鼠的体感和前额叶皮层的冠状切片。一个扩大的电极用作公共接地。在本研究中使用的200µm电极间距下，电极场之间没有可检测到的重叠[81]培养4-6周后，自发LFP活性出现，并记录长达5小时，并在1 Hz和50 Hz之间过滤。为了研究突触传递变化的影响，在基线记录2到5小时后，将DNQX或苦毒毒素（PTX）直接添加到培养基中（最终浓度分别为2µM和5µM），并继续记录2到5h。
相关性分析和控制
依次使用每个电极作为触发电极并选择大量nLFP进行相关分析(n个≥250）。相关性R（右）然后在nLFP触发器（X）和彼此电极上的等时长周期（Y）之间进行计算，如下所示
哪里
和无功功率，无功功率表示信号的方差。为了防止nLFP的重复计数，获得了每个触发电极的相关分布和相关位点的分数R（右）≥0.8是整个电极的平均值.控件()如下所述。控制随机相似性(;红色)，通过从距离nLFP触发器峰值至少100 ms的记录中任意位置选择的随机位置开始，选择与nLFP触发时间类似的随机周期。控制触发nLFP持续时间的大变化()这是一个可能会极大影响相关性的因素，我们在电极之间进行了随机时间对齐和时移比较，这些电极与nLFP触发器具有相同的持续时间分布，但不nLFP已触发。因为这些不是nLFP触发的，所以它们只控制特定nLFP振幅阈值下的持续时间(;绿色)而不是振幅本身。控制大振幅偏转之间整体更相似的可能性(;蓝色)对于每个nLFP触发器，我们将其与其他电极上的振幅匹配的nLFP进行比较，然后确定≥0.8的病例比例。为此，识别出比较电极上出现的所有nLFP，这些nLFP具有可比较的振幅（在±10%范围内），其峰值距离nLFP触发峰值至少100 ms，并从该组中进行随机选择。由于振幅匹配的nLFP通常具有不同的持续时间，比较周期被定义为触发nLFP峰值前后的持续时间。对于中的控件，将所有电极上具有可比振幅的所有nLFP汇集在一起，并比较500对随机选择的对，创建不同间隔时间的随机相关性分布。在这种情况下，通过使用与nLFP对从第一个开始到最后一个结束的时间长度相对应的段来处理nLFP持续时间的可变性。
时移分析
时移分析(,)通过将每个比较电极上的比较窗口在相对于nLFP触发窗口位置的两个方向上一次移动一个时间段（在体外，时间段Δt=1ms，在体内，时间段为2ms），并确定与最高相关性相对应的位移来进行。对于随机和持续时间控件，窗口相对于最初选择的随机位置进行了类似的移动。通过假设一对一的顺序过程来计算连续相关周期之间的间隔(). 例如，如果在第一时间仓中有一个nLFP，在第二时间仓中有三个相关的nLFP，则事件间间隔将被计数为第一nLFP和第二时间仓中的第一nLFP之间的1×Δt（nLFP顺序基于电极数量任意选择）第二时间段中第二和第三nLFP与第三和第四nLFP之间的0，给出了2个零和1Δt的延迟分布。
振幅相似性
为了将振幅相似性量化为nLFP触发振幅的函数()，峰值振幅被确定为时间对齐比较窗口内的最小值。由于设置比较窗口的nLFP的持续时间通常为几十到数百毫秒，并且最佳匹配时间延迟通常小于50毫秒()这确保了在大多数情况下，都能识别出真正的峰值。然后用nLFP触发器的峰值振幅对比较周期的峰值振幅进行归一化。
相干势的可视化
计算100个成对组合的最佳匹配相关性和峰-峰时间差()和30()nLFP≤−3 SD，其峰值分别出现在阵列上15 s和250 ms的时间段内。由于nLFP周期具有可变持续时间，因此计算了对应于成对nLFP的nLFP峰值之前和之后的最大nLFP持续时间的周期的相关性。为确保曲线图与峰值对齐，并涵盖最长nLFP的完整持续时间，所示过点在峰值交叉前50 ms开始，在峰值后250 ms开始。请注意，大多数nLFP远小于300 ms，而过曲线图中的匹配周期通常延伸到nLFP之外，这表明高相关性的周期超出了nLFP。
功率谱分析
使用快速傅里叶变换（FFT，MATLAB）计算了长度至少为256 ms的负偏转周期相干电位的功率谱，精确到256 ms(). PSD也使用具有类似结果的自相关函数的FFT进行计算（参见图S8). 研究了相干势的相位依赖性()通过计算原始相干势的FFT，洗牌相位角，并使用逆FFT获得新的LFP时间过程。得到了原始相干电位和相应的相位模糊波形周期的相关关系。
单位活度与相干电位的相关性
本分析中有几个控制和注意事项(). 为了确保我们使用最大数量的单位数据，考虑到与LFP贡献人口相关的单位样本非常少，我们对每个电极（而不是单个单位）的总单位放射性或总单位放射性进行了比较。对于每个电极，只需将每个时间段Δt中的单位数相加，即可得出每个电极的单个单位活性向量。在此处使用的料仓宽度Δt=2–10 ms（所示Δt=6 ms）时，这些向量主要包含值0和1，偶尔也包含值2和3。两个矢量之间的点积用于量化电极之间单位活动模式的相似性。由于相干电位的持续时间不同，相应的单位活动矢量的时间段也不同。此外，电极之间检测到的单位数也不同，影响了空时间段的先验预期。由于持续时间和单位数会影响点积的先验预期，即相似性，因此必须精确控制这些因素。我们只选择持续时间至少为200 ms的相干电位，并比较nLFP峰值前50 ms到峰值后150 ms的开始时间，从而保持比较持续时间不变。我们进一步将比较限制在只有确切地在此期间发生了两次单位事件（可能是两次峰值，n个 = 猴子A和n个 = 4个阵列中的3个阵列的猴子B中有200–400个。在剩下的猴子B阵列中有n个===========================================================<100例，这不足以分析整个相干电位相关性范围）。点积为1的示例如所示单单位出现次数被排除在分析之外，因为它无法得出关于时间结构的结论，而三个或三个以上单位出现次数太少，无法进行统计相关的聚集（所有病例中都小于75）。
统计分析
对于不同分布之间的统计显著性，使用了KS检验。对于曲线拟合，使用标准线性或S形函数（原点）进行回归分析。重要性确立于第页<0.05.
支持信息
图S1
nLFP波形对的相关性示例。相关度增加的nLFP对示例（从上到下）显示了相似性如何随着相关系数的增加而增加。每个波形比较的y刻度相同。
（0.81 MB畅通节能法）
图S2
猴A体感皮层中进行活动的高度相关部位的乙状结肠增加。（A） 体感皮层（S1）相关nLFP分析左侧)该阵列由16个电极组成，电极插入大脑皮层约1毫米。超阈值nLFP中高度相关位点的平均分数（即。，R（右）≥0.8，阴影区in)随着nLFP振幅超过～1 SD（乙状拟合，R（右）>0.99），与所有对照组显著不同(红色,绿色;第页<10−4所有情况）。有关控件的更多信息，请参阅和正文。（B） 高度相关的nLFP之间的时间差异分布（≤−3 SD；R（右）≥0.8; 最佳匹配比较）集中在体内和体外其他皮层区域的0左右（参见。，). 峰-峰时间差的分布类似(红色).
（0.38 MB畅通节能法）
图S3
所有电极对之间的时间差分布相似。阵列上每对电极上相干电位之间的时间差分布相似。这里显示了M1阵列上一个电极和其他每个电极之间的比较左侧猴子A区。任何电极之间都没有任何特征差异，这表明时间差异是由功能参数引起的，而不是由电极位置引起的结构或解剖差异。
（0.18 MB畅通节能法）
图S4
相干势传播符合级联模型。（A） 传播的级联模型，其中活动源于单个站点，并以一对多的方式传播连续的时间段。（B） 与一对多的过程一致，与接下来的两个时间段相比，第一个时间段具有多个nLFP的可能性要低得多。该图显示了每个连续时间仓中存在一个以上相关nLFP的病例比例。分析仅使用延伸至十个或更多位点（M1）的nLFP序列左边，猴子A；猴B四个阵列的平均值；平均值超过n个 = 6种文化）。（C） 传播到n个站点，近似于（n+1）中nLFP的数量第个相对于n的时间bin第个时间段，根据指数函数（0.83e）减小（−n/1.7）米,R（右）
2 = 体内0.98和1.2e（−n/1.2）,R（右）
2 = 0.99体外）。与中的图例相同B类.
（0.34 MB畅通节能法）
图S5
相关周期的峰值振幅相似。（A） 标准化峰值振幅比较，如（B）体感阵列（S1）nLFP触发振幅±50%范围内峰值振幅的部位分数左侧)在猴子中，A随触发振幅非线性增加，且仅相关波形显著增加。（C） 结果与中类似B类猴子B（四个数组的平均值）。（D） 结果与中类似B类文化（平均n个 = 6种文化）。
（0.53 MB畅通节能法）
图S6
包含一个或多个相干势的周期的原始轨迹。（A） 三个750 ms周期的原始迹线，包含M1中所有32个电极的一个或多个相干电位左侧猴子A（B）第一个750 ms周期的爆破(左边). 重新排列电极顺序后相同的750 ms周期(正确的). 重新排列的面板显示了五个不同的相干电位序列(红色方框)跨越不同的电极子集，提供序列内和序列间连续比较的演示。（C） 包含一个或多个相干电位的一个培养物中，所有60个电极的原始迹线对应一个750 ms周期。（D） 与方框对应的期间内信号放大C类对于选择电极，具有重新排列的顺序。
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图S7
相关周期在大振幅交叉处开始。（A） 第一次阈值交叉前最大波形相关性的开始(前脱粒)在最后一次跨过门槛之后(跟随脱粒)通过逐步增加每个方向的比较窗口来确定。由于相干势几乎总是以一个尚未确定的顺序同时包括正偏移和负偏移，所以我们考虑了两个方向上的阈值交叉。作为我们的第一个振幅阈值(脱粒1)我们选择了导致相关位点比例最大的第一个值（参见。，; 体内±4 SD，体外±9 SD）。（B） 持续时间分布（确定为A类)与…相关R（右）在正向或负向第一次越过阈值之前≥0.8（在体内阈值1:±4 SD，在体外阈值为±12 SD；在体内阈值2:±1 SD，在离体阈值为±3 SD）。猴子A中，约50%开始于或之后第一次穿越4SD，仅～6%在或处结束之前最后一次跨过门槛。猴子B（之前22±2 ms，之后76±13 ms）和体外（之前11±4，之后65±41）的模式相似，表明尽管相干电位在大幅度交叉前不久启动，但它们可以在最后一次交叉后继续。其中，体内约60%和体外约72%±3%由负振幅交叉引起，而其余部分由正振幅交叉引起。这表明存在相反的模式，即阴性-阳性和阳性-阴性。这种方向性的缺乏可能反映了神经元活动相对于电极的位置，因此电极是否测量活动的汇或源，但也可能反映了兴奋性和抑制性输入到达的差异，或棘波发生与相关联的突触之间的关系电流。（C） 75个第个猴子1和猴子2的分布的持续时间的百分位值，以及六种培养物的平均值，如B所示。75人第个持续时间的百分位数(,左边)在第一阈值交叉之前和在最后阈值交叉之后分别为33ms和136ms。阈值交叉前的短暂持续时间表明，相关性始于LFP的负或正上升。当体内阈值降至1 SD，体外阈值降至3 SD时(脱粒2，右），在所有情况下，在第一次脱粒时或之后开始的相关周期的比例都增加到80%以上（75第个百分位数因此<记录的分辨率），而相关性在最后一次交叉后扩展了20到30ms。由于>90%的持续时间仅包括一次基线交叉，这表明只要偏差超过噪声，就会检测到相关性周期，并继续包括大多数后续的正偏差或负偏差。
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图S8
单个相干电位波形的功率谱和自相关。（A） 功率谱（以对数坐标表示，显示范围为10–100 Hz），计算为持续时间≥200 ms的四十个不同随机选择相干电位的自相关FFT。功率谱很宽，通常在没有主频的情况下衰减。（请注意，此方法与中所示的方法不同但与FFT应用于信号本身的结果一致。）（B） 从nLFP峰值延伸±4 s的周期的功率谱示例（以对数坐标表示，显示为1–100 Hz）未显示任何明显的低频特征。（C） 相干势的自相关A类，通过取nLFP周期并计算其与来自相同信号的等效持续时间的时移段的相关性获得。对于所有情况，使用相干电位周围的相应时间段，在nLFP峰值之前50 ms和峰值之后350 ms内计算自相关。自相关是高度可变的，有一小部分显示出振荡成分（用*标记）。
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图S9
施用5µm苦曲霉毒素（PTX）前后体外记录的原始痕迹。（A） 单皮层培养中自发神经元活动的时期。（B） 在5µM GABAA受体拮抗剂PTX存在下的自发活动，可减少快速突触抑制（相同培养）。
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LFP信号在大幅度上偏离高斯噪声。（A） 从一个体内阵列的两个电极记录的两秒长的局部场电位（LFP）活动痕迹(左边)和一个体外阵列(正确的). （B） 每个电极的LFP振幅直方图(灰色)和平均值(黑色). 振幅标度是体内典型阵列平均活性标准偏差（×SD）的倍数(左边)和体外试验(正确的). 纵坐标轴以对数单位显示，以强调明显偏离最佳高斯拟合的尾部(红色). 高斯拟合与参比电极上测量的仪器噪声密切相关（蓝色，仅限体外）。振幅与高斯拟合的偏差大致发生在0.75 SD（体内）到1.5 SD（体外）的范围内，表明超出这些值后，信号的行为可能与噪声有很大区别。（C） 猴B四个阵列中每个阵列的平均LFP振幅直方图(左边)和六种体外阵列(正确的)显示出类似的模式。
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图S11
单个相干电位连续nLFP之间的间隔。连续高度相关nLFP（即相干势）之间的间隔分布。所示为40个此类相干电位，跨越10个以上电极位置（单个盒子）。间隔或延迟范围宽表示没有特征时间尺度。这个结果与振荡不同周期产生的相干势不一致。
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图S12
猴子A正向滤波器和正向滤波器的比较。（A） 猴子A（M1）三十二个电极中的十六个电极的记录段左侧)用前向滤波器（MATLAB中的“理想滤波器”）和相位中性前向后向滤波器（MATLAB中的“滤波器”）进行滤波显示出很高的相似性。（B） 向高空间相干性区域的Sigmoidal过渡（时间对齐分析，如对于M1左侧; 猴子A）不依赖于过滤方法。（C） 连续相关站点之间时间间隔的相应概率密度（参见main text）不依赖于filter方法。
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