×

缓慢激活向外的膜电流会在神经元中产生输入-输出亚谐波交叉频率耦合。 (英语) Zbl 1457.92033号

小结:理解神经系统中尖峰时间相关信息编码的一个主要挑战是对单个神经元输入的非线性放电响应。因此,对这种非线性行为的假定机制进行定量探索,对于建立神经系统中的信息传递理论至关重要。本模拟研究的目的是评估和量化缓慢激活外向膜电流对单间室Hodgkin-Huxley型神经元输出非线性的影响。为了评估这种影响,慢钾通道的峰值电导(\(g_{K-slow}\))变化范围为正常值的0%至200%,步长为33%。交叉和国际标准化组织-模拟神经元的输入和输出之间的频率耦合是使用广义相干度量,即n:m相干来计算的。随着(g{K-slow})的增加,输出频率(1-8Hz)低于输入频率(15-35Hz)的亚谐波交叉频率耦合量逐渐增加,而国际标准化组织-观察到频率耦合。神经元膜电压与慢钾通道激活变量的功率谱和相空间分析表明,慢通道动力学与快膜电压动力学的相互作用产生了观察到的亚谐波耦合。这项研究为重要的膜机制(即缓慢激活的外向电流)在神经元输出中产生非线性的作用提供了定量的见解。

MSC公司:

92C20美元 神经生物学
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: DOI程序 链接

参考文献:

[1] Barlow,H.B.,(《皮层信息处理中的单个细胞与神经元组装》(1992//1992:),施普林格:施普林格-柏林-海德堡出版社),169-173
[2] Sejnowski,T.J.,新神经代码的时代?,《自然》,376,6535,21-22(1995)
[3] Fetz,E.E.,神经群体中的时间编码?,科学,278,5345,1901(1997)
[4] B.Nessler、M.Pfeiffer、L.Buesing和W.Maass,“贝叶斯计算通过峰值定时依赖的可塑性出现在一般皮层微电路中”,(英文),《公共科学图书馆·计算生物学》,第9卷,第4期,pp.e1003037-e10030372013,doi:10.1371/journal.pcbi.1003037。
[5] 胡,J。;Tang,H。;Tan,K.C。;李,H。;Shi,L.,基于峰值定时的模式识别集成模型,神经计算。,25, 2, 450-472 (2013) ·Zbl 1269.68087号
[6] Masquelier,T。;Hugues,E。;德科,G。;Thorpe,S.J.,《振荡、光纤相位编码和峰时依赖可塑性:一种有效的学习方案》,J.Neurosci。,29, 43, 13484-13493 (2009)
[7] S.Panzeri,M.E.Diamond,“在不知道刺激时间的情况下,可以解码威士忌感觉皮层中群体尖峰时间携带的信息”,(英文),《前突触神经科学》,第2卷,第17-17页,2010年,doi:10.3389/fnsyn.2010.0017。
[8] Tiesinga,P。;Fellous,J.-M。;Sejnowski,T.J.,《视觉皮层回路中棘波计时的调节》,《神经科学自然评论》。,9, 2, 97-107 (2008)
[9] Saal,H.P。;王,X。;Bensmaia,S.J.,《接触中尖峰时间的重要性:与听力的类比?》?,货币。操作。神经生物学。,40, 142-149 (2016)
[10] 卡波拉莱,N。;Dan,Y.,《Spike时间依赖性可塑性:赫比学习法则》,Annu。神经科学评论。,31, 1, 25-46 (2008)
[11] Enoka,R.M。;Duchateau,J.,《速率编码与肌肉力量控制》,《冷泉兔》。透视。医学,7,10,a029702(2017)
[12] Srivastava,K.H。;霍姆斯,C.M。;Vellema先生。;包装,A.R。;Elemans,C.P.H。;内曼,I。;Sober,S.J.,《通过精确计时的尖峰模式进行电机控制》,美国国家科学院院刊,114,511711-7176(2017)
[13] Putney,J。;右康涅狄格州。;Sponberg,S.,《精确定时在一个全面的尖峰分辨飞行发动机项目中无处不在、始终如一且协调一致》,PNAS,116,52,26951-26960(2019)
[14] J.Jeong等人,“突发作为黑质多巴胺神经元放电模式中非线性决定的来源”(英文),《欧洲神经病学杂志》。,第36卷,第9期,第3214-3223页,2012年,doi:10.1111/j.1460-9568.2012.08238.x。
[15] J.Hounsgaard、H.Hultborn、B.Jespersen和O.Kiehn,“静脉注射5-羟基色氨酸后,去胎猫和急性脊髓猫α-运动神经元的双稳态”(英文),《生理学杂志》,第405卷,第345-367页,1988年,doi:10.1113/jphysiol.1988.sp017336。
[16] 卡梅隆,W.E。;粘合剂,M.D。;Botterman,B.R。;Reinking,R.M。;Stuart,D.G.,去脑猫活动肌肉中的运动单位-肌梭相互作用,神经科学。莱特。,19, 1, 55-60 (1980)
[17] Wei,K。;Glaser,J.I。;邓,L。;汤普森,C.K。;史蒂文森,I.H。;王,Q。;Hornby,T.G。;赫克曼,C.J。;Kording,K.P.,《血清素影响脊髓运动增益控制》,《神经科学杂志》。,34, 38, 12690-12700 (2014)
[18] 粘合剂,M.D。;Powers,R.K。;Heckman,C.J.,运动神经元的非线性输入-输出函数,《生理学》,35,1,31-39(2020)
[19] Stiefel,K.M。;Englitz,B。;Sejnowski,T.J.,皮层中间神经元内在不规则放电的起源,Proc。国家。阿卡德。科学。,110, 19, 7886-7891 (2013)
[20] 罗伯茨,J.A。;Robinson,P.A.,驱动非线性脑动力学定量理论,神经影像,62,31947-1955(2012)
[21] McGee,C.G。;哈龙,M。;亚当斯·D·E。;Luk,Y.W.,《表征轮胎-车辆悬架系统非线性的频域技术》,J.Vib。蝗虫。,127, 1, 61-76 (2005)
[22] J.Shils,M.Litt,B.Skolnick,M.Sperling和M.Stecker,“视野相互作用的双光谱分析”,载于1996年10月31日至11月3日IEEE医学与生物学会第18届国际年会论文集,1996年10月31日,第3卷,第974-975页,第3卷,doi:10.10109/IEMBS196652667。
[23] 维克多·J。;Shapley,R.,《频域非线性分析方法》,生物物理学。J.,29,3,459-483(1980)
[24] 迈尔斯,G.B。;哈特利,R。;托德·A·J。;Brownstone,R.M.,脊髓胆碱能中间神经元在运动过程中调节运动神经元的兴奋性,Proc。国家。阿卡德。科学。,104, 7, 2448-2453 (2007)
[25] S.B.Laughlin,“视网膜中感觉适应的作用”,《实验生物学杂志》,第146卷,第1期,第39页,1989年。[在线]。可用:http://jeb.biologies.org/content/146/1/39.abstract。
[26] Brown,D.A。;Adams,P.R.,《毒蕈碱对脊椎动物神经元中新型电压敏感性K+电流的抑制》,《自然》,2835748673-676(1980)
[27] Madison,D.V.,Nicoll,R.A.“体外大鼠CA 1锥体神经元重复放电的控制”(in eng),《生理学杂志》,第354卷,第319-331页,1984年,doi:10.1113/jphysiol.1984.sp015378。
[28] Fleidervish,I.A.,Friedman,A.,Gutnick,M.J.“小鼠和豚鼠皮层神经元切片中Na+电流的缓慢失活和缓慢累积尖峰适应”(英文版),《生理学杂志》,第493卷(第1部分),第1部分,第83-97页,1996年,doi:10.1113/jphysiol.1996.sp021366。
[29] Bhattacharjee,A.,Kaczmarek,L.K.“对于K^+通道,Na^+是新的Ca^2+”,《神经科学趋势》,第28卷,第8期,第422-428页,2005年,doi:10.1016/j.tins.2005.06.003。
[30] F.De Castro、E.Geijo-Barrientos和R.Gallego,“正常小鼠交感神经节细胞中钙激活的氯电流”(英文),《生理学杂志》,第498卷(第2部分),第2部分,第397-4081997页,doi:10.1113/jphysiol.1997.sp021866。
[31] 佩隆,S.P。;Gabbiani,F.,尖峰频率适应在形成神经元对动态刺激的反应中的作用,生物学。赛博。,100, 6, 505-520 (2009) ·Zbl 1342.92048号
[32] Yang,Y。;Solis-Escalante,T。;范德赫尔姆,F.C.T。;Schouten,A.C.,《检测和表征神经系统中非线性相互作用的广义相干框架》,IEEE Trans。生物识别。工程师,63、12、2629-2637(2016)
[33] 特劳布·R·D。;Wong,R.K。;Miles,R。;Michelson,H.,CA3海马锥体神经元模型,结合内电导的电压灯数据,神经生理学杂志。,66, 2, 635-650 (1991)
[34] 山田,W.M。;科赫,C。;Adams,P.R.,《多通道和钙动力学》(神经元建模方法:从突触到网络(1989),麻省理工学院出版社),97-133
[35] Pospischil,M。;托莱多·罗德里格斯,M。;莫尼耶,C。;Piwkowska,Z。;Bal,T。;弗莱格纳克,Y。;马克拉姆,H。;Destexhe,A.,不同类别皮层和丘脑神经元的最小霍奇金-霍克斯利型模型,Biol。赛博。,99, 4-5, 427-441 (2008) ·Zbl 1161.92013年
[36] 普弗茨切勒,G。;Da Silva,F.L.,《事件相关EEG/MEG同步与去同步:基本原理》,临床。神经生理学。,110, 11, 1842-1857 (1999)
[37] 费萨尔,A.A。;Selen,L.P.J。;Wolpert,D.M.,《神经系统中的噪音》,《神经科学自然评论》。,9, 4, 292-303 (2008)
[38] Maltenfort,M.G。;赫克曼,C.J。;Rymer,W.Z.,renshaw中间神经元对运动核内脊髓运动神经元放电的去相关作用:一项模拟研究,《神经生理学杂志》。,80, 1, 309-323 (1998)
[39] Negro,F。;Farina,D.,皮层输入和运动神经元输出的去相关,J.神经生理学。,106, 5, 2688-2697 (2011)
[40] 里巴克,I.A。;Shevtsova,N.A。;拉弗雷尼尔·鲁拉(Lafreniere-Roula,M.)。;McCrea,D.A.,“模拟与运动模式生成有关的脊髓回路:从虚拟运动中的缺失中获得的见解”,(英),J.Physiol。,577,第2部分,617-639(2006/12/01/2006,)
[41] Rackauckas,C。;Nie,Q.,Differential Equations.jl-Julia中求解微分方程的性能丰富的生态系统,开放研究软件杂志,5,05/25(2017)
[42] Hagihira,S。;M.高岛。;森喜朗。;Mashimo,T。;Yoshiya,I.,脑电信号双谱分析的实际问题:,Anesth。分析。,93, 4, 966-970 (2001)
[43] 大研,P。;Abbott,L.F.,《理论神经科学:神经系统的计算和数学建模》(2005),麻省理工学院出版社
[44] 尼基亚斯,C.L。;Mendel,J.M.,《高阶谱信号处理》,IEEE Signal Process Mag.,10,3,10-37(1993)·Zbl 0813.62083号
[45] Yang,Y。;Solis-Escalante,T。;van de Ruit,M。;范德赫尔姆,F.C.T。;Schouten,A.C.,等张屈腕期间皮层振荡和肌肉活动之间的非线性耦合,Front。计算。神经科学。,2016年10月126日(2016)
[46] Yang,Y。;Schouten,A.C。;Solis-Escalante,T。;van der Helm,F.C.,《使用交叉频率相干框架探索神经系统中的非线性》,IFAC-papersonline,48,28,1386-1390(2015)
[47] De Hemptinne,C.,帕金森病初级运动皮层的放大相位振幅耦合,(美国国家科学院院刊(2013)),201214546
[48] Yang,Y。;Solis-Escalante,T。;姚,J。;Daffertshofer,A。;Schouten,A.C。;van der Helm,F.C.T.,《基于相位耦合量化神经系统中非线性连接的通用方法》,国际神经病学杂志。系统。,26, 01, 1550031 (2016)
[49] Benda,J。;Herz,A.V.M.,尖峰频率适应通用模型,神经计算。,15, 11, 2523-2564 (2003) ·Zbl 1052.92010年
[50] Benda,J。;Longtin,A。;Maler,L.,Spike-frequency adaptation将瞬态通信信号与背景振荡分离,J.Neurosc。,25, 9, 2312 (2005)
[51] 斯特里亚德,M。;努涅斯,A。;Amzica,F.,《体内新皮质神经元的新型缓慢(<1 Hz)振荡:去极化和超极化成分》,《神经科学杂志》。,132532-3265(1993年)
[52] Sanchez-Vives,M.V。;McCormick,D.A.,《新皮质节律性重复活动的细胞和网络机制》,《国家神经科学》。,3,10,1027-1034(2000),2000年10月1日,doi:10.1038/79848
[53] M.Steriade、F.Amzica和A.Nuñez,“新皮质细胞中慢(≃0.3 Hz)振荡的胆碱能和去甲肾上腺素能调制”,《神经生理学杂志》,第70卷,第1385-400页,1993年1月11日,doi:10.1152/jn.1993.70.4.1385。
[54] Compte,A。;Sanchez-Vives,M.V。;McCormick,D.A。;Wang,X.-J.,《皮层网络模型中慢振荡活动(<1 Hz)和波传播的细胞和网络机制》,《神经生理学杂志》。,89, 5, 2707-2725 (2003)
[55] 《临床神经病学手册》第99卷,765-782(2011),“第47章-下丘脑、促甲状腺素/食欲素和警戒控制”
[56] Steriade,M.,“睡醒周期中的乙酰胆碱系统和节律活动”,《大脑研究进展》,第145卷:,179-196(2004)
[57] Bröcher,S。;阿托拉,A。;Singer,W.,胆碱能和去甲肾上腺素能受体激动剂协同促进大鼠视皮层切片中长期增强的诱导,Brain Res.,573,1,27-36(1992)
[58] 艾肯,S.P。;兰佩,B.J。;墨菲,P.A。;Brown,B.S.,“神经递质释放增强剂利诺匹丁(DuP 996)降低大鼠CA1锥体神经元的尖峰频率适应和阻断M-电流”,(英文),Br.J.Pharmacol。,115, 7, 1163-1168 (1995)
[59] McCormick,D.A.“第36章:乙酰胆碱在大脑皮层和丘脑中的作用及其对功能的影响”,《大脑研究进展》,第98卷,A.C.Cuello编辑:Elsevier,1993年,第303-308页。
[60] Gutkin,B.S。;Ermentrout,G.B.,《膜兴奋性动力学决定棘波间期变异性:棘波产生机制和皮层棘波序列统计之间的联系》,神经计算。,10, 5, 1047-1065 (1998)
[61] Gutkin,B。;平托,D。;Ermentrout,B.,《数学神经科学:从神经元到电路再到系统》,《生理学杂志-巴黎》,97,2-3,209-219(2003)
[62] K.Stiefel、B.Gutkin和T.Sejnowski,“胆碱能神经调制改变皮层金字塔神经元的相位响应曲线形状和类型”,《公共科学图书馆·综合》,第3卷,第e3947页,2008年2月1日,doi:10.1371/journal.pone.0003947。
[63] J.P.Roach、B.Eniwaye、V.Booth、L.M.Sander和M.R.Zochowski,“乙酰胆碱介导神经网络中信息编码方案之间的动态切换”,《系统神经科学前沿》,10.3389/fnsys.2019.00064,第13卷,第64页,2019年。[在线]。可用:https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fnsys.2019.00064。
[64] 科赫,C。;Segev,I.,《单个神经元在信息处理中的作用》,《自然神经科学》。,3,S111171-1177(2000)
[65] Markram,H.,(神经科学计算模型(2003),伦敦施普林格出版社:伦敦施普林格出版社),125-169·Zbl 1016.68066号
[66] Yang,Y。;Dewald,J.P.A。;范德赫尔姆,F.C.T。;Schouten,A.C.,“揭示感觉运动系统中的神经耦合:方向性和非线性”,(工程),欧洲神经科学杂志。,48, 7, 2407-2415 (2018/10// 2018,)
[67] 雷克林,J.C。;Funk,G.D。;Baylis,D.A。;东,X.-W。;Feldman,J.L.,运动神经元兴奋性的突触控制,生理学。修订版,80、2、767-852(2000)
[68] 赫克曼,C.J。;莫特伦,C。;昆兰,K。;泰斯·R。;Schuster,J.,运动神经元兴奋性:神经调节输入的重要性,临床。神经生理学。,120, 12, 2040-2054 (2009)
[69] N.Sinha、J.P.A.Dewald、C.J.Heckman和Y.Yang,“下行运动路径中的交叉频率耦合:理论和模拟”,系统神经科学前沿,10.3389/fnsys.2019.00086,第13卷,第86页,2020年。[在线]。可用:https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fnsys.2019.00086。
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。