The effect of the excitatory feedback in anticipated synchronization and phase bistability regimes in neuronal populations
Deze studie toont aan dat geanticipeerde synchronisatie en fase-bistabiliteit in corticale-achtige neuronale populaties robuust blijven onder wederkerige excitatoire feedback, wat een rijk repertoire aan faserelaties onthult die kunnen ontstaan uit vaste structurele connectiviteit zonder dat structurele herbedrading vereist is.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Het brein is geen statische kaart van vaste draden; het is een levend netwerk waarbij dezelfde fysieke verbindingen afhankelijk van het moment zeer verschillende patronen van activiteit kunnen produceren. Deze flexibiliteit is essentieel voor hoe we de wereld waarnemen en beslissingen nemen. In de cortex, de buitenste laag van de hersenen, zijn verschillende regio's verbonden door tweerichtingssnelwegen van communicatie. Toch gedraagt de informatiestroom, ondanks deze wederzijdse links, zich vaak alsof deze een duidelijke richting heeft, waarbij het ene gebied leidt en het andere volgt. Soms gebeurt dit volgen met een vertraging, waarbij het tweede gebied reageert op het eerste. Op andere tijden lijkt het tweede gebied het eerste te voorspellen, door actie te ondernemen voordat het signaal arriveert. Dit tegenintuïtieve fenomeen, waarbij de ontvanger de zender vooruitgaat, staat bekend als geanticipeerde synchronisatie. Jarenlang geloofden wetenschappers dat deze specifieke timingtruc een eenrichtingsweg vereiste, een opstelling waarbij de zender de ontvanger niet kon horen. De vraag bleef of deze delicate timing kon overleven in de rommelige, tweerichtingswerkelijkheid van echte hersencircuits.
Een team onderzoekers uit Brazilië, Spanje en de Verenigde Staten zette zich af om dit idee te testen met behulp van een computermodel van twee groepen neuronen, ontworpen om de structuur van echte corticale gebieden na te bootsen. Elke groep bevatte vijfhonderd individuele cellen, een mix van exciterende neuronen die activiteit aanwakkeren en inhibitoire neuronen die het kalmeren. In hun simulatie waren de twee groepen verbonden door exciterende signalen die in beide richtingen stroomden, waardoor een lus ontstond in plaats van een rechte lijn. De wetenschappers wilden zien of de ontvanger nog steeds de zender kon voorgaan wanneer de zender ook signalen terugstuurde. Ze kwamen tot de conclusie dat het antwoord 'ja' was. Het vermogen om te anticiperen en de vreemde staat waarin het systeem tussen leiden en volgen kon schakelen, bleef robuust, zelfs wanneer de feedback sterk was. Het model toonde aan dat deze complexe tijdrelaties geen eenrichtingsverbinding vereisen; ze kunnen natuurlijk ontstaan in een tweerichtingscircuit, mits de balans van interne inhibitie binnen de ontvangende groep precies goed is.
De onderzoekers ontdekten dat het pad dat het systeem aflegt wanneer het schakelt van leiden naar volgen, niet altijd hetzelfde is. Afhankelijk van de sterkte van de interne inhibitoire signalen binnen de ontvangende groep, vindt de overgang op één van twee verschillende manieren plaats. In sommige gevallen, naarmate de feedback van de ontvanger naar de zender toenam, zou het systeem plotseling heen en weer springen tussen leiden en volgen, waarbij het tijd doorbrengt in beide staten voordat het zich in één staat nestelt. Dit is een staat van bistabiliteit, waarbij het circuit onbeslist is en in staat is zowel de leider als de volger te zijn. In andere gevallen was de overgang vloeiend en continu. Het systeem zou een kort moment passeren waarin beide groepen op exact hetzelfde moment vuren, zonder vertraging in welke richting dan ook, voordat de ontvanger achter de zender aan begint te lopen. Deze nul-vertraging-staat fungeerde als een brug tussen de twee extremen. De specifieke route die het systeem nam, hing volledig af van de hoeveelheid inhibitie die aanwezig was in de ontvangende populatie, wat aantoont dat lokale cellulaire eigenschappen de globale timing van het netwerk kunnen dicteren.
De studie onthulde ook hoe externe ruis, of willekeurige elektrische activiteit, deze patronen beïnvloedt. Wanneer de onderzoekers het niveau van de willekeurige input die de ontvangende groep raakte aanpasten, ontdekten ze dat minder ruis de groep hielp om de leiding te nemen, terwijl meer ruis het in een volgende rol duwde. Dit sugggeert dat het brein subtiele veranderingen in de achtergrondactiviteit kan gebruiken om snel te herconfigureren wie de leiding neemt in een gesprek tussen hersengebieden, zonder nieuwe draden te hoeven bouwen of oude af te breken. In scenario's waar de verbindingen tussen de groepen zwak waren, verloor het systeem soms volledig zijn ritme en dreef het in en uit synchronisatie op een chaotische manier. Deze fase-drift, waarbij de tijdsrelatie voortdurend ronddwaalt, trad op wanneer de signalen tussen de groepen te zwak waren om hen tegen de ruis in een ritme te houden.
Deze bevindingen suggereren dat de vaste anatomische structuur van het brein een rijke variëteit aan functionele relaties kan ondersteunen. Dezelfde fysieke circuit kan een vertraagde respons, een anticiperende respons of een staat van perfecte uitlijning produceren, simpelweg door de sterkte van de feedback of het niveau van interne inhibitie aan te passen. Deze flexibiliteit biedt een mogelijke verklaring voor hoe het brein zijn communicatiepatronen snel kan reorganiseren tijdens cognitieve taken, zoals het richten van de aandacht of het verwerken van spraak. Het vermogen om tussen deze modi te schakelen, of om te bestaan in een staat waarin beide mogelijk zijn, biedt een mechanisme waarmee het brein zijn timing kan aanpassen aan de eisen van het moment. Het werk bevestigt dat de complexe timing die wordt waargenomen in echte hersenopnames geen artefact is van vereenvoudigde eenrichtingsmodellen, maar een robuust kenmerk dat kan floreren in de wederzijdse, tweerichtingsarchitectuur van het levende brein.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.