The effect of the excitatory feedback in anticipated synchronization and phase bistability regimes in neuronal populations
本研究表明，在相互性兴奋反馈作用下，类皮层神经元群体的预期同步与相位双稳态保持稳健，揭示了无需结构重构即可从固定结构连接中涌现出的丰富的相位关系谱系。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
大脑并非一张由固定导线构成的静态地图；它是一个活生生的网络，同样的物理连接在不同时刻可以产生截然不同的活动模式。这种灵活性对于我们感知世界和做出决策至关重要。在大脑的外层——皮层中，不同的区域通过双向通信的高速公路相互连接。然而，尽管存在这些互惠的链路，信息的流动往往表现得仿佛具有明确的方向，即一个区域领先，而另一个区域跟随。有时，这种跟随会伴随着延迟，即第二个区域对第一个区域做出反应。另一些时候，第二个区域似乎能预判第一个区域，在信号到达之前就已行动。这种接收者领先于发送者的反直觉现象被称为“预期同步”。多年来，科学家们一直认为这种特殊的计时技巧需要一条单行道，即一种发送者无法听到接收者反馈的设置。问题在于，这种微妙的计时是否能在真实大脑回路这种混乱的双向现实中生存下来。
来自巴西、西班牙和美国的科研团队试图通过一个模拟两组神经元结构的计算机模型来测试这一想法，该模型旨在模仿真实皮层区域的结构。每组包含五百个独立的细胞，其中包括激发神经元（产生活动）和抑制神经元（平息活动）的混合。在他们的模拟中，两组通过双向流动的兴奋性信号相连，形成了一个环路而非直线。科学家们想看看当发送者也在回传信号时，接收者是否仍能领先于发送者。他们发现答案是肯定的。即使在反馈很强的情况下，这种预判能力以及系统可以在领先与跟随状态之间切换的奇特状态依然保持稳健。模型显示，这些复杂的计时关系并不需要单向连接；只要接收组内部的抑制平衡恰到好处，它们就能在双向电路中自然涌现。
研究人员发现，系统在从领先切换到跟随时所采取的路径并不总是相同的。根据接收组内内部抑制信号强度的不同，这种转变以两种截然不同的方式发生。在某些情况下，随着接收者向发送者的反馈增强，系统会突然在领先和跟随之间来回跳跃，在两种状态中停留一段时间后再稳定下来。这是一种“双稳态”状态，即电路处于犹豫不决的状态，既可以作为领导者，也可以作为跟随者。在其他情况下，这种切换是平滑且连续的。系统会经过一个短暂的时刻，此时两组神经元同时放电，在任何方向上都没有延迟，随后接收者开始落后于发送者。这种“零延迟状态”充当了两个极端之间的桥梁。系统所采取的具体路径完全取决于接收群体中存在的抑制量，这表明局部细胞特性可以决定网络的全局计时。
这项研究还揭示了外部噪声（即随机电活动）如何影响这些模式。当研究人员调整作用于接收组的随机输入水平时，他们发现较少的噪声有助于该组取得领先地位，而较多的噪声则会将其推入跟随角色。这表明，大脑可能会利用背景活动的细微变化来快速重新配置脑区之间谁在“对话”，而无需构建新线路或拆除旧线路。在两组间连接较弱的情况下，系统有时会完全失去节奏，呈现出一种混沌的同步状态。这种“相位漂移”（即计时关系不断游走）出现在组间信号过于微弱，不足以对抗噪声并维持其同步性的情况下。
这些发现表明，大脑固定的解剖结构可以支持丰富的各种功能关系。仅仅通过调节反馈强度或内部抑制水平，同一个物理电路就可以产生延迟响应、预判响应或完美对齐的状态。这种灵活性为大脑如何在认知任务（如注意力集中或语言处理）中快速重组其通信模式提供了一种潜在的解释。这种在不同模式之间切换或同时存在于两种可能性的能力，为大脑根据瞬时需求调整其计时提供了一种机制。这项工作证实，在真实大脑记录中观察到的复杂计时并非简化单向模型的产物，而是能够在活体大脑这种互惠的双向架构中蓬勃发展的稳健特征。
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