Self-wiring in neural nets of point-like cortical neurons fails to reproduce cytoarchitectural differences
我们提出了一个模型来描述活动依赖的进化和二进制神经元之间的自布线。具体而言，该模型可用于研究发育中的新皮层中神经元连接的生长。通过使用适当的训练模式序列的计算模拟，我们表明，长期记忆可以编码在神经元的连接和外部刺激的功能的新皮层电路的一部分。有人建议，这种二进制神经元表示的点样皮层神经元不能再现新皮层组织的细胞结构差异，这对房室模型的不足之处有影响。
2006-07-04 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Suppression of hypersynchronous network activity in cultured cortical neurons using an ultrasoft silicone scaffold
皮质神经元在分离培养中的自发活动模式的特征在于在广泛的细胞群体中高度同步的突发放电。然而，同步的程度远远高于皮质组织。在这里，我们采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体建立一个新的系统，用于培养神经元的支架上的弹性模量类似于脑组织，并研究了支架的弹性对培养的大鼠皮层神经元的网络活动模式的影响。使用全细胞膜片钳评估支架对突触连接发展的影响，我们发现，兴奋性突触后电流的振幅，以及自发传输的频率，在弹性模量为0.5 kPa的超软PDMS上生长的神经元网络中减少。此外，发现超软支架抑制培养的神经元网络的自发活动中的神经相关性。GsMTx-4的剂量，拮抗剂的拉伸激活的阳离子通道（SAC），需要减少低于1.0事件/分钟的PDMS基板上的事件的产生低于玻璃基板上的神经元。这表明SAC活化的基线水平的差异是神经元网络活性取决于支架刚度的改变的分子机制。我们的研究结果表明，具有仿生弹性的PDMS作为细胞培养支架在神经系统中弥合体内-体外缺口方面具有潜在的应用前景。
2019-12-10 physics.bio-ph q-bio.NC
Precision microfluidic control of neuronal ensembles in cultured cortical networks
本研究利用微流控装置构建具有层级模块结构的皮层神经元网络，通过调节微通道尺寸控制模块间耦合，降低同步性并丰富神经元集群活动模式，为体外研究神经元集群提供了稳健平台。
2024-05-29 q-bio.NC
Analysis of Evolving Cortical Neuronal Networks Using Visual Informatics
Aston University（阿斯顿大学）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；University of Nottingham（诺丁汉大学）
本研究利用基于余弦度量的最小失真嵌入（MDE）降维框架，分析神经元群体活动在发育和刺激下的变化，相比PCA和t-SNE，MDE能更好地保留活动轨迹和条件内半径等生物学信息。
2026-07-03 cond-mat.dis-nn physics.data-an physics.soc-ph
Neuronal heterogeneity modulates phase-synchronization between unidirectionally coupled populations with excitation-inhibition balance
一些实验和模型强调了神经元异质性在大脑动力学和功能中的重要性。然而，这种细胞间的多样性如何影响皮层计算、同步和神经元通信仍在争论之中。以前的研究集中在一个神经元群体的神经元异质性的影响。在这里，我们特别感兴趣的神经元变异性的影响，两个人口之间的相位关系，这可能与不同的皮层通信假说。最近的研究表明，两个单向连接的神经元群体可以表现出预期的同步（AS），其特征在于负相位滞后。这种现象已经在非人类灵长类动物和人类EEG的电生理数据在视觉辨别认知任务。在实验中，单向耦合可以通过格兰杰因果关系来评估，并且可以伴随着皮质区之间的正或负相位差。在这里，我们提出了一个模型的两个耦合的人口中的神经元的异质性可以确定发送者和接收者之间的动力学关系，并可以重现在实验中报道的相位关系。取决于表征神经元放电模式的参数的分布，该系统可以表现出AS和通常的延迟同步制度（DS，具有正相位）以及AS和DS之间的零滞后同步制度和相位双稳态。此外，我们表明，我们的网络可以呈现多样性，在他们的相位关系保持兴奋抑制平衡。
2021-03-02 physics.bio-ph q-bio.NC
The functional structure of cortical neuronal networks grown in vitro
我们应用微电极阵列测量的动作电位时间序列的信息论处理，以估计哺乳动物神经元细胞组装体{ \it在体外}的连接。我们通过测量两个神经元的脉冲序列之间的互信息来推断它们之间的连通性。此外，我们测量任何两个脉冲序列的第三个细胞的活动条件下，作为一种手段来识别和区分类的功能连接之间的三个神经元之间的高点多信息。使用一个有条件的三细胞措施消除了一些解释的缺点，成对的互信息和揭示到任何三个细胞的功能连接安排。我们分析了由此产生的连接图在其他复杂网络的光，并表明，尽管他们的{ \it离体}的发展，来自培养的神经组件的连接图是类似于其他生物网络，并显示非平凡的结构，在聚类系数，网络直径和混合。具体来说，我们表明，这些网络是弱dispertative小世界图，显着不同的随机图具有相同程度的结构。我们希望我们的分析是有用的，在确定各种各样的复杂网络的计算图案，来自时间序列数据。
2007-03-07 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Chaotic Neuronal Oscillations in Spontaneous Cortical-Subcortical Networks
振荡活动广泛存在于不同脑区记录的场电位的特定频段，在神经信息处理中起着重要作用。了解这些振荡活动的结构对于了解大脑功能至关重要。到目前为止，关于它们的节奏结构以及这些振荡是如何产生的，许多细节仍然难以捉摸。我们发现，许多自发的皮层-皮层下网络中的振荡活动，如δ，梭形，伽马，高伽马和尖波波纹带在不同的大脑区域，是真正的混沌时间序列，可以重建为混沌吸引子通过适当选择嵌入延迟和维数。重建的吸引子近似由一个简单的径向基函数，使高精度的短期预测。同时记录的振荡活动在多个大脑区域的时间相位和幅度有很大的不同，但可以近似为相同的功能。我们的研究结果表明，神经振荡产生的确定性混沌系统。神经振荡事件的发生是预先确定的，并且由于确定性动力学，大脑可能知道信息在未来的时间将在何时何地被处理和传输。
2015-07-21 q-bio.NC
Heterogeneity and dynamics of cortical populations coding visual detection
先前的研究已经证明了初级感觉皮层对于视觉刺激的检测、辨别和意识的重要性，但是尚不清楚该区域的神经元群体如何以不同的方式处理检测到的和未检测到的刺激。关键的差异可能在于对视觉刺激的反应的平均强度，如在功能磁共振成像，脑电图或脑磁图研究中可检测到的大量信号所反映的，或者可能更微妙地由个体感觉神经元的差异化活动组成。量化单细胞Ca 2+响应记录在体内的2-光子成像的视觉刺激，我们发现，视觉检测相关性更强的群体反应异质性，而不是整体的反应强度。此外，神经元群体在时间间隔的试验中显示出与命中反应相关的激活模式，但在非检测期间则不然。与依赖于时间稳定的网络或批量信号的模型相反，这些结果表明，检测依赖于皮层群体内神经元活动的瞬时分化。
2015-12-02 q-bio.NC
Universal Organization of Resting Brain Activity at the Thermodynamic Critical Point
热力学临界性描述了各种各样的复杂系统中的涌现现象。在哺乳动物大脑中，神经元相互作用自发产生的复杂动力学被表征为神经元雪崩，一种临界分支动力学形式。在这里，我们表明，神经元雪崩也反映了大脑动力学组织接近热力学临界点。我们分别使用高密度颅内微电极阵列和脑磁图记录了猴子和人类在休息时的自发皮层活动。通过数值改变一个相当于热力学温度的控制参数，我们观察到了接近实际生理条件下大脑皮层活动的典型临界行为，包括序参量的相变，以及磁化率和比热的发散。这些量的有限尺寸标度使我们能够推导出在猴子和人类之间高度一致的鲁棒临界指数，揭示了一个独特的，但普遍的大脑动力学组织。
2013-04-12 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Noise-induced phase transitions in neuronal networks
使用一个完全可解的皮层模型的神经元网络，我们表明，通过增加散粒噪声（流随机尖峰轰击神经元）的强度，网络经历一阶和二阶非平衡相变。我们研究神经元活动的转换、爆发和雪崩的性质。鞍结分岔和超临界Hopf分岔是网络持续振荡产生的机制。我们表明，由散粒噪声刺激的网络的行为类似于由施加电流刺激的生物神经元的Morris-Lecar模型。
2013-04-11 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Phase-bistability between anticipated and delayed synchronization in neuronal populations
两个单向耦合的动态系统在发送端-接收端的配置中可以以非零相位滞后同步。特别地，如果接收器（R）也接收延迟的负自反馈，则系统可以表现出以负相位滞后为特征的预期同步（AS）。最近，AS被证明发生在皮质样神经元群体之间，其中自我反馈由抑制性突触介导。在这种生物学上合理的情况下，从通常的延迟同步（DS，具有正相位滞后）到AS的过渡可以通过接收器群体中的抑制电导来介导。在这里，我们表明，依赖于兴奋性和抑制性突触电导之间的关系，系统也可以表现出预期和延迟同步之间的相位双稳态。此外，我们表明，在接收器和突触电导的噪声量可以调解从稳定的锁相过渡到一个稳定的制度，并最终到相位漂移（PD）。我们认为，我们的尖峰神经元群体模型可能是潜在的有用的研究相位双稳态相关的皮层区域的感知。
2020-08-27 physics.bio-ph q-bio.NC
The cell-type specific connectivity of the local cortical network explains prominent features of neuronal activity
在过去的十年中，局部皮层网络的细胞类型特异性连接和活动已经被实验表征到一些细节。与此同时，建模已被建立作为一种工具，将网络结构与活动动态联系起来。虽然可用的连接图已被用于各种计算研究中，模拟活动的突出特点，如自发放电率不匹配的实验结果。在这里，我们表明，不一致性产生的不完整的连接图。我们比较了最全面的地图（汤姆森等人，2002; Binzegger等人，2004）揭示了它们的主要差异：横向采样范围和靶细胞的具体选择。考虑到他们，我们编译一个集成的连接图和分析的本地分层皮层网络的全尺寸模型的模拟统一的地图。模拟的自发活动是异步不规则的，细胞类型特异性自发放电率与清醒动物体内记录一致，包括2/3层兴奋细胞的低比率。类似地，由瞬时丘脑输入诱发的激活模式再现最近的体内测量。模拟结果和实验的对应关系取决于对特定目标类型选择的考虑，从而取决于对大量可用连接数据的整合。细胞类型特定的分层输入结构和前馈和反馈连接的组合揭示了兴奋和抑制的相互作用如何塑造局部皮层网络的自发和诱发活动。
2011-06-28 q-bio.NC
Cortical Xi-Alpha model for resting state electric neuronal activity
人类清醒静息状态EEG记录的功率谱通常具有在10 Hz左右的α峰，其骑着递减的背景“Xi过程”。正常和病理变化可能有一个以上的峰或没有。单通道Xi-Alpha模型（Pascual-Marqui et al 1988，https：//doi.org/10.3109/00207458808985730）分离了这两个过程，提供了EEG频谱的低维参数描述。目前缺乏的是一个生成的全皮层模型的活动谱和皮质内功能连接。在这里，我们介绍了“皮质Xi-Alpha模型”。交叉谱密度矩阵被建模为加性分量，每个分量由乘以频率不变埃尔米特协方差矩阵的标量谱组成。这种简单的“变量分离”形式提供了非常丰富的空间光谱特性，以及不同的整个皮层功能连接模式。头皮EEG模型保持相同的形式，允许从头皮到皮层的简单估计。两个独立的开放访问，休息状态的眼睛打开和关闭的EEG数据集（203名参与者，61个电极，47名参与者，26个电极）被用来证明，测试和验证模型。结果总结：-交叉谱的平均维数在1.7和2.6之间，表明有两个过程。- 在6239个皮质体素处采样的群体功率谱的非负矩阵分解仅具有两个分量（标识为Xi和Alpha），解释了99%的方差。- 在所有数据集和条件下，“皮质Xi-Alpha模型”的解释方差的中位数为95%。- 阿尔法过程发生器更多的枕骨，Xi更多的正面。- 皮层滞后的连接性是各向同性的间距。- 层记录表明2/…
2022-12-29 q-bio.NC q-bio.QM
Graphene oxide nanosheets disrupt lipid composition, Ca2+ homeostasis and synaptic transmission in primary cortical neurons
石墨烯有可能对社会产生非常重大的影响，在生物医学领域具有重要的应用。在神经元界面设计石墨烯基医疗设备的可能性特别令人感兴趣，因此必须确定石墨烯材料与神经元细胞的生物相容性。在这里，我们进行了一个全面的分析大鼠原代皮层神经元的慢性和急性暴露于几层原始石墨烯（GR）和单层氧化石墨烯（GO）薄片的影响。通过结合一系列细胞生物学，显微镜，电生理学和组学方法，我们表征了石墨烯神经元相互作用，从膜接触和内化的第一步到对细胞活力，突触传递和细胞代谢的长期影响。发现GR/GO薄片与神经元膜接触，游离于细胞质中并通过内溶酶体途径内化，对神经元活力没有显著影响。然而，GO暴露选择性地引起兴奋性传递的抑制，兴奋性突触接触的数量减少，并伴随抑制活性的增强。这是伴随着诱导的自噬，改变Ca 2+动力学和下调的一些主要参与者在兴奋性和抑制性神经元的Ca 2+稳态的调节。我们的研究结果表明，尽管石墨烯暴露不会影响神经元的活力，但它确实对神经元的传输和网络功能有重要影响，因此在计划将这种材料用于神经生物学应用时应谨慎。
2018-10-29 physics.bio-ph q-bio.NC
Self-organising mechanism of neuronal avalanche activity
提出了一个自组织模型来解释从最近的观察神经元雪崩推导出的皮质网络的临界性。对自组织临界性（SOC）的普遍理解表明，能量守恒对它的出现至关重要。然而，神经元网络本质上是非保守的，如微电极记录所示。这里提出的模型表明，SOC也可以出现在非保守系统中，如果内部驱动。有证据表明，突触的背景活动提供了内部驱动器的非保守的皮层网络，以达到和维持一个临界状态。当网络大小$N$足够大使得$ηN\sim 10^3$.对于小网络，强背景导致癫痫样活动，与癫痫的神经生理学知识一致。
2007-01-11 nlin.AO q-bio.NC
Canonical Cortical Field Theories
本研究基于二维晶格神经单元与连续极限，推导由耦合实Klein-Gordon场构成的典型皮层场理论，验证其预测符合实验结果，且对神经质量动力学系统具参数不变性，为皮层信息编码提供结构。
2023-08-21 q-bio.NC
A Resonance Model for Spontaneous Cortical Activity
几十年来，人类大脑功能如何从结构中产生一直引起研究人员的兴趣，并提出了许多模型，但没有一个模型能产生密切的结构-功能关系。本文提出了一个基于神经元发放脉冲时间依赖可塑性（STDP）原理的共振模型，通过将神经元群体之间的动态相互作用纳入波动方程来描述自发皮层活动，该模型能够准确预测静息态脑功能连接（FC），包括静息态网络。此外，该模型为脑区之间的自发动力学耦合以低频波动提供了强有力的理论和实验证据。重要的是，它能够解释负的功能相关性如何在共振过程中出现。我们在时域和频域中使用来自人类连接组计划（HCP）S1200发布的大型受试者队列（1038）测试了该模型，该模型表现出优于现有特征分解模型的性能。
2022-10-07 q-bio.NC
Learning beyond sensations: how dreams organize neuronal representations
University of Bern（伯尔尼大学）；Yale University（耶鲁大学）
本文提出梦境生成的虚拟经验可与真实感觉输入共同塑造皮层表征，并以对抗性梦境和对比性梦境两种机制解释神经元表征的形成与不变性学习。
2023-12-05 cs.AI q-bio.NC
Sparse chaos in cortical circuits
Columbia University（哥伦比亚大学）；Kavli Institute of Brain Science（卡弗里脑科学研究所）；Göttingen Campus Institute for Dynamics of Biological Networks（哥廷根校区生物网络动力学研究所）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Georg-August-Universität Göttingen（哥廷根大学）；Bernstein Center for Computational Neuroscience（伯恩斯坦计算神经科学中心）
本文利用计算遍历理论证明神经冲动生成机制深刻影响皮层回路的集体混沌，发现超过临界点后网络进入稀疏混沌状态，并揭示单神经元生物物理特性与回路可控性及信息流动之间的紧密联系。
2024-12-30 cond-mat.dis-nn cs.LG nlin.CD
Hopf Bifurcation in Mean Field Explains Critical Avalanches in Excitation-Inhibition Balanced Neuronal Networks: A Mechanism for Multiscale Variability
皮层神经回路在单个神经元中显示出高度不规则的尖峰，但在群体水平上显示出大规模的集体放电、振荡和临界雪崩，所有这些都对信息处理具有重要的功能。理论上，兴奋和抑制输入的平衡被认为是解释尖峰不规则性和临界雪崩可能源于潜在的相变。然而，这些多层次的动态方面的神经回路的理论和解仍然是一个悬而未决的问题。在这里，我们研究兴奋-抑制（E-I）平衡的神经元网络与生物现实的突触动力学。它可以保持不规则的尖峰动态与不同水平的同步和临界雪崩附近出现的同步过渡点。我们提出了一种新的半解析平均场论来推导控制网络宏观动力学的场方程。结果表明，网络的E-I平衡态表现为不规则的个体尖峰，具有宏观稳定态的特征，宏观稳定态可以是不动点，也可以是周期运动，其跃迁由宏观场中的Hopf分岔预测.此外，通过对公开数据的分析，我们发现在离体小鼠脑片的自发发放活动中，不规则发放和临界雪崩共存，表明了所观察到的现象的普遍性。我们的理论揭示了允许复杂的神经活动在不同的时空尺度共存的机制，并阐明了神经系统的临界性的可能起源。这也为分析E-I平衡网络的宏观动力学及其与微观对应物的关系提供了一种新的工具，这对于大规模的皮层动力学建模和计算是有用的。
2020-07-04 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Self-organization without conservation: Are neuronal avalanches generically critical?
最近对皮层神经网络的实验揭示了存在明确定义的电活动雪崩。这种雪崩被认为是一般尺度不变的-即幂律分布-在神经科学中有许多令人兴奋的含义。最近，Levina、Herrmann和Geisel提出了一个自组织模型来证明这一经验发现。鉴于（i）神经动力学是耗散的，（ii）有一个加载机制“充电”逐步的背景突触强度，这个模型/动力学是非常相似的精神森林火灾和地震模型，非保守的自组织的典型例子，最近已被证明缺乏真正的临界性。在这里，我们表明，皮层神经网络服从（i）和（ii）一般不是关键的;除非参数微调，它们的动态要么是亚临界或超临界，即使伪临界区域是相对广泛的。这一结论似乎与最近的实验观察一致。我们的工作的主要含义是，如果未来对皮层网络的实验研究支持真正关键的雪崩是正常的，而不是例外，那么人们应该寻找更详细的（适应性/进化）解释，而不是简单的自组织，来解释这一点。
2010-01-19 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
The role of inhibitory neuronal variability in modulating phase diversity between coupled networks
本研究探索抑制性神经元变异性对两个皮质区域间相位关系多样性的调节作用，发现其可扩大零滞后同步和双稳态区域、调节DS到AS的转变，为远距离脑区通讯机制及双稳态感知关联提供新见解。
2024-11-29 physics.bio-ph q-bio.NC
Predicting the connectivity of primate cortical networks from topological and spatial node properties
哺乳动物皮层区域之间的连接组织已经成为研究的主要课题，因为它在构建动物行为和智力的宏观方面起着重要作用。在这项研究中，我们提出了一个计算重建网络组织的问题，通过考虑在灵长类动物大脑皮层的每个区域的拓扑和空间特征作为补贴的全球皮层网络连接的重建。从断开所有区域开始，将具有相似特征集的成对区域连接在一起，试图恢复原始网络结构。从节点的属性推断灵长类动物皮层连接性，可以获得非常好的全球网络组织重建，拓扑特征允许略优于空间的准确性。对C. elegans神经元网络导致实质上更差的恢复，表明皮层区域互连与所考虑的拓扑和空间特性的相关性比线虫中的神经元投射相对更强。基于区域的特征和全局连接之间的密切关系可能暗示了皮层网络的发展规则和限制。特别是，从拓扑和空间属性的预测之间的差异，以及从空间属性导致的较差的恢复，表明皮层网络的组织并不完全由空间约束决定。
2007-04-26 physics.soc-ph q-bio.NC
Impact of noise and damage on collective dynamics of scale-free neuronal networks
我们研究了无标度结构和噪声在神经元网络集体动力学中的作用。为此，我们模拟和研究分析的皮层电路模型与随机神经元。我们比较集体神经元活动的网络与不同的拓扑结构：经典的随机图和无标度网络。我们发现，在无标度网络与发散的二阶矩的度分布，噪声对神经元活动的影响是强烈增强的网络与有限的二阶矩。非常小的噪声水平可以刺激有限部分神经元的自发活动和持续的网络振荡。我们证明了集体动力学的无标度网络的随机损伤的随机删除的兴奋性和抑制性神经元的数量在很宽的范围内的耐受性。随机移除神经元会导致网络振荡频率逐渐降低，类似于阿尔茨海默病中α节律的减慢。然而，这些网络容易受到有针对性的攻击。去除一些兴奋性或抑制性枢纽可以削弱持续的网络振荡。
2012-11-29 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Density-dependence of functional development in spiking cortical networks grown in vitro
在发育过程中，哺乳动物的大脑分化成具有不同功能的专门区域。虽然许多因素有助于功能的专业化，我们探讨神经元密度的影响，在体外神经元相互作用的发展。两种类型的皮质网络，密集和稀疏，分别与50,000和12,000总细胞，进行了研究。激活图，表示成对的神经元相互作用的竞争性第一响应模型构建。这些图显示，在体外发育过程中，密集网络比稀疏网络更早形成激活连接。密集网络激活图的链接熵分析表明，大多数电极之间的连接是互惠的性质。信息论的措施表明，早期功能信息的相互作用（3个细胞）是协同在密集和稀疏的网络。然而，在发展的后期阶段，以前的协同关系在密集网络中主要是冗余的，但在稀疏网络中则不然。激活图中的大链接熵值与密集网络中发展后期冗余集合的支配有关。结果表明，密集和稀疏网络的信息组，成对的关系，和激活图之间的差异。这些差异表明细胞密度的变化可能导致体内神经系统组织的不同功能特化。
2008-11-21 q-bio.NC q-bio.QM
Simple Learning Rules Generate Complex Canonical Circuits
皮层回路的特点是在未分化网络的发育过程中出现的极其复杂的连接模式。这些回路的发展是由精确的分子线索的组合决定的，这些分子线索决定了神经元的身份和位置，以及有助于建立、完善和维持神经元连接的活动依赖机制。在这里，我们问是否简单的可塑性机制可以导致组装一个皮质微电路与规范层间连接，从一个网络与所有到所有的连接。目标典型微电路基于通常在啮齿动物、猫和猴子的多个皮质区域中发现的皮质层之间的连接模式。我们使用一个计算模型作为一个证明的原则，以证明经典和反向尖峰定时依赖可塑性规则导致形成的网络，类似于典型的微电路。该模型收敛到生物学上合理的解决方案，提供了增强和抑郁症和增强输入层4之间的平衡，只有一个小的组合的可塑性规则。该模型对皮层各层的学习计算及其在开发过程中的动态部署做出了具体的可测试预测。
2020-09-13 q-bio.NC
Reorganization of columnar architecture in the growing visual cortex
在出生后的发育过程中，许多皮质区域的大小会显著增加，逐渐使神经元细胞体相互移位。目前，人们对皮质生长如何影响神经回路的发育知之甚少。在这里，在急性和慢性实验中，我们研究的布局视觉优势（OD）列猫初级视觉皮层（V1）在一段时间内的大量出生后的增长。我们发现，尽管V1的相当大的尺寸增加，列之间的间距在很大程度上被保留。相反，它们的空间布局在这一时期发生了系统性的变化。而在年轻的动物列更带状，布局变得更加各向同性的成熟动物。我们提出了一种新的机制，生长诱导的重组是基于“之字形不稳定性”，在几个无生命的图案形成系统中观察到的动态不稳定性。我们认为，这种机制是固有的广泛的一类模型的活动依赖的OD列的形成。分析这个类的一个成员，弹性网络模型，我们表明，这种机制可以解释的列间距的保存和我们观察到的OD列的重组的特定模式。我们的结论是，神经元系统转移其选择性在正常的发展过程中，这种重组是由生长过程中的皮质扩张。我们的工作表明，皮层回路在发育过程中保持可塑性很长一段时间，以促进神经元回路的修改，以适应皮层的生长。
2011-04-11 q-bio.NC
Modelling Spontaneous Firing Activity of the Motor Cortex in a Spiking Neural Network with Random and Local Connectivity
本文构建了具有分层结构和局部连接的运动皮层脉冲神经网络模型，发现局部连接能提高发放率、扩大发放分布并使发放不规则性更接近实验数据，表明连接拓扑对自发活动中的发放模式具有重要作用。
2023-07-05 q-bio.NC
The effect of the excitatory feedback in anticipated synchronization and phase bistability regimes in neuronal populations
Universidade Federal de Alagoas（阿拉戈阿斯联邦大学）；Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos IFISC (CSIC-UIB), Universitat de les Illes Balears（巴利阿里群岛大学）；Florida Atlantic University（佛罗里达大西洋大学）
本研究探讨兴奋性反馈对两个类皮层神经元群体相位关系的影响，发现预期同步和双稳态相位在双向耦合下仍鲁棒，还揭示了从预期同步到延迟同步的转变路径及丰富相位关系，表明固定结构连接可支持功能动态快速重构。
2026-08-18 physics.bio-ph q-bio.NC
Neuronal Synchrony in Complex-Valued Deep Networks
Brown University（布朗大学）
深度学习最近在图像识别等任务中取得了巨大成功（例如Krizhevsky等人，2012年）。然而，深度网络仍然无法与大脑的能力和多功能性相匹配，这可能部分是由于皮层电路可以进行更丰富的神经元计算。挑战在于确定哪些神经元机制是相关的，并找到合适的抽象来建模。在这里，我们展示了如何将长期假设在皮层信息处理中发挥关键作用的尖峰时间方面纳入深度网络，以构建更丰富，多功能的表征。我们引入了一个基于复值神经元单元的神经网络公式，它不仅具有生物学意义，而且适用于各种深度学习框架。在这里，单位归因于放电率和相位，后者指示尖峰定时的属性。我们展示了如何定性地捕捉这个配方被认为是与神经元同步，包括门控信息处理和动态绑定的分布式对象表示的几个方面。专注于后者，我们展示了几个简单的实验中的方法的潜力。因此，神经元同步可能是一种灵活的机制，可以在深度网络中发挥多种功能作用。
2014-03-22 cs.LG cs.NE q-bio.NC
High conductance states in a mean field cortical network model
从视觉皮层神经元的测量反应表明，尖峰时间往往是相关的，而不是完全泊松分布。Fano因子各不相同，并且通常大于1，这是由于尖峰被聚集成爆发的趋势。我们表明，这种行为自然出现在一个平衡的皮质网络模型与随机连接和电导为基础的突触。我们采用平均场理论与正确的有色噪声来描述神经元活动的时间相关性。我们的研究结果阐明了两个独立的实验结果之间的联系：高电导状态的皮质神经元在其自然环境中，和变量的非泊松尖峰统计与Fano因子大于1。
2004-02-11 q-bio.NC
Efficiency characterization of a large neuronal network: a causal information approach
当抑制性神经元占神经元的40%时，它们可能具有重要的抗伤害感受作用，因为它们很容易调节其他神经元的活动水平。我们认为一个简单的网络皮层尖峰神经元轴突传导延迟和尖峰时间依赖的可塑性，代表一个皮质柱或hypercolumn与大比例的抑制性神经元。每个神经元都遵循类似Hodgkin-Huxley的动力学，并随机与其他神经元相互连接。网络动力学的研究估计Bandt和Pompe概率分布函数相关联的interspike间隔，并采取不同程度的互联神经元。更具体地说，我们考虑到复杂的神经元信号的精细的时间“结构”，不仅通过使用与脉冲间隔相关的概率分布，而是考虑到更微妙的措施，占其因果信息：香农排列熵，费舍尔排列信息和排列统计复杂性。这使我们能够研究系统的信息如何随着神经元之间的互连程度的增长而饱和到有限值，从而推断系统的涌现动力学特性。
2014-01-26 q-bio.NC
Pairwise Ising model analysis of human cortical neuron recordings
在清醒和深度睡眠的大脑状态下，皮层神经网络表现出不同的行为，第二个特征是高网络活动的瞬变。为了研究它们对神经元行为的影响，我们通过推断最大熵模型来应用成对伊辛模型分析，该模型再现了神经元尖峰活动的单个和成对时刻。在这项工作中，我们首先回顾了Ferrari，Phys. Rev. E（2016）中介绍的推理算法。然后，我们成功地应用该算法来推断模型从一个大的合奏的神经元记录在人类颞叶皮层的多电极阵列。我们比较了伊辛模型在捕捉清醒和深度睡眠期间网络活动的统计特性方面的性能。对于后者，成对模型错过了高网络活动的相关瞬态，这表明需要额外的约束来准确地建模数据。
2017-10-26 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Has the Brain Maximized its Information Storage Capacity?
学习和记忆可能依赖于神经元回路通过树突棘重塑进行重组的能力。我们一直在寻找皮层电路的几何参数，最大限度地提高与此机制相关的信息存储容量。特别是，我们计算了各种神经元成分的最佳体积分数。最佳的轴突和树突的体积分数是没有显着不同的小鼠和大鼠新皮层，大鼠海马解剖测量。这使我们提出，与树突棘重塑相关的信息存储容量的最大化可能是皮层进化的重要驱动力。
2003-07-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.gen-ph
Noise and Neuronal Heterogeneity
我们考虑一个简单的神经元模型具有内在噪声的信号处理。噪声的存在限制了神经响应的精度，并影响神经信号转导的质量。我们评估的信号转导质量的噪声水平，并显示它被最大化的非零水平的噪声，类似于随机共振效应。质量增强发生在一个有限范围的刺激到一个单一的神经元，我们展示了如何构建网络的神经元，扩展的范围。当我们使用具有各种阈值的异质神经元群体时，而不是使用具有相同阈值的同质神经元群体时，范围随着网络大小而更快地增加。因此，神经响应的有限精度可以对最佳网络结构产生直接影响，其中组成神经元的不同功能特性支持经济的信息处理策略，该策略降低了处理广泛类别的刺激的代谢成本。
2010-05-04 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
An experimental evidence-based computational paradigm for new logic-gates in neuronal activity
我们提出了一个新的实验证实的范例，其中大脑的逻辑门的功能取决于其活动的历史，例如，随着时间的推移变成XOR门的OR门。我们的研究结果是基于一个实验过程中，条件刺激被强制嵌入在一个大规模的网络皮层细胞在体外的神经元电路。潜在的生物学机制是对持续刺激的神经元响应潜伏期的不可避免的增加，这强加了网络延迟的非均匀逐渐拉伸。
2013-05-02 q-bio.NC
Critical phenomena and noise-induced phase transitions in neuronal networks
我们研究数值和解析的一阶和二阶相变的散粒噪声（随机尖峰轰击神经元流）刺激的神经元网络。使用一个完全可解的皮质模型的神经网络的经典随机网络，我们发现关键的现象伴随着过渡和散粒噪声强度的依赖。我们发现，一个模式的相变的临界点附近的自发神经元活动是一个特性，可用于识别的过渡的分叉机制。我们表明，爆发和雪崩的一阶相变的前兆，阵发性的尖峰活动之前的鞍结分岔引起的二阶相变，而不规则的主轴振荡表示附近的二阶相变引起的超临界Hopf分岔的自发活动。我们最有趣的结果是观察到了阵发性尖峰。我们发现，阵发性尖峰是一个单一的非线性事件，立即出现从一个低背景活动与快速发病，达到一个大的幅度，并突然返回到较低的活动结束。这些尖峰类似于EEG测量中观察到的单个阵发性尖峰和尖波。我们的分析表明，以上的鞍结分岔，持续的网络振荡出现了一个大的振幅，但一个小的频率相比，网络振荡附近的Hopf分岔，有一个小的振幅，但大的频率。我们讨论了一个惊人的相似性刺激的散粒噪声和莫里斯-Lecar神经元的兴奋性刺激施加电流的皮质模型的兴奋性。
2013-10-16 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.NC
Hierarchical Features of Large-Scale Cortical Connectivity
复杂网络的分析揭示了各种自然和人工系统中的组织模式，包括多尺度的大脑神经元网络。在本文中，我们描述了一种新的分析哺乳动物大脑皮层区域之间的大规模连接，利用最近提出的一组分层测量。我们研究了先前确定的猕猴视觉皮层和猫皮层脑区的功能集群，并发现这些集群之间的显着差异，在几个层次的措施，揭示了这些集群是如何嵌入在整体皮层架构的差异。例如，视觉皮层的腹侧集群在结构上比背侧集群保持更隔离、更少分歧的连接，这可能表明它们的组成大脑区域在功能上不同。
2005-08-02 cond-mat.dis-nn q-bio.NC q-bio.QM
A neuronal device for the control of multi-step computations
我们描述了神经元装置的操作，该装置体现了艾伦·图灵设想的“纸笔”机器的计算原理。这个网络是基于大脑皮层组织的原理。我们开发了一个合理的解决方案来实现指针，并研究神经元电路如何实例化为变量赋值所涉及的基本操作（即，x=5），确定两个变量是否具有相同的值，以及检索给定变量的值以供网络的其他节点访问。我们在简化的算术和问题解决（块世界）任务中验证了网络的集体功能。
2013-12-10 q-bio.NC
Distributions of covariances as a window into the operational regime of neuronal networks
对皮层网络中尖峰脉冲活动的大量平行记录表明，神经元对之间的协方差差异很大。它们的低平均值是很好理解的，但到目前为止，关于周期性随机网络中连接的静态（淬火）无序的广泛分布的解释是难以捉摸的。在这里，我们推导出一个有限大小的平均场论，减少了一个高度对称的网络与起伏的辅助领域的无序。连接的统计量和成对协方差的统计量之间暴露的分析关系表明，后者的平均值和分散度在临界耦合处发散。在这一点上，非线性单元的网络从规则的混沌动力学过渡。将这些结果应用于哺乳动物大脑的记录表明，它的运作接近临界边缘。
2016-05-13 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
An Analytically Solvable Model of Firing Rate Heterogeneity in Balanced State Networks
针对皮层回路放电率分布缺乏数学可处理性的问题，基于 Gauss-Rice 神经元模型提出一种可精确计算放电率分布的平衡态皮层回路模型，支持多群体与多突触受体，为理解单神经元及突触特性对放电率分布的影响奠定基础。
2024-12-19 q-bio.NC
VIOLA - A multi-purpose and web-based visualization tool for neuronal-network simulation output
神经元网络模型和相应的计算机模拟是非常宝贵的工具，以帮助解释之间的关系，神经元的属性，连接和皮质组织中的测量活动。如实验观察到的跨皮层表面传播的活动的时空模式可以例如通过具有分层几何形状和距离依赖连接性的神经元网络模型来描述。多模态和多维仿真数据流的解释要求将交互式可视化步骤集成到现有的仿真分析工作流程中。在这里，我们提出了一套交互式可视化概念称为视图的拓扑网络模型中的活动数据的可视化分析，和相应的参考实现VIOLA（VIsualization层活动）。该软件是一个轻量级的，开源的，基于网络的和平台无关的应用程序，结合和适应现代交互式可视化范例，如协调多个视图，大规模并行神经生理数据。对于一个用例演示，我们考虑了两个群体的尖峰活动数据，分层点神经元网络模型受到来自外部群体的空间限制激励。通过多个协调视图，可以在对数据的特定方面进行详细的定量数据分析之前对神经元活动的时空特征进行探索性和定性评估。此外，正在进行的努力，包括欧洲人脑项目，旨在为综合模型开发、模拟、分析和来源跟踪提供在线用户门户，其中交互式视觉分析工具是一个组成部分。因此，需要与浏览器兼容的、基于网络技术的解决方案。在这个范围内，我们使用VIOLA提供了第一个原型。
2018-03-27 q-bio.NC
Spiral wave dynamics in a neuronal network model
本文构建基于锥体细胞空间分布的神经元网络层，结合局部与全局相位序参量检测波形，揭示连接半径和耦合强度对螺旋波涌现、模式转变及双稳态的影响。
2024-02-28 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.NC
Antiepileptic drugs induce subcritical dynamics in human cortical networks
皮质网络的功能关键取决于微调的相互作用，以提供长距离的神经元活动传播，同时避免失控的兴奋。这种重要性突出的病理后果和受损的性能所造成的异常网络兴奋性的精神和神经疾病，如癫痫。理论和实验表明，网络交互对活动传播的控制可以用分支过程来描述。这一假设部分是由在大脑皮层中观察到的平衡时空动力学的强有力的证据支持，然而，网络相互作用和皮层活动之间的因果关系的证据，预测的分支过程，在人类中失踪。在这里，我们测试这种因果关系，通过监测皮质活动的系统药理学减少皮质网络与抗癫痫药物的相互作用。我们报告说，皮层活动级联，癫痫棘波的传播模式，以及时间相关性下降，正是预测的分支过程。我们的研究结果为皮层网络功能的分支过程理论提供了缺失的一环，这对理解皮层兴奋性的基础及其在癫痫等疾病中的监测具有重要意义。
2019-04-30 q-bio.NC
Synaptic plasticity and neuronal refractory time cause scaling behaviour of neuronal avalanches
在体外和体内不同的皮层网络中测量的神经元雪崩始终表现出幂律行为的大小和持续时间分布的指数典型的平均场自组织分支过程。这些指数也恢复在神经网络模拟实现不同的网络拓扑结构上的各种神经元动力学。因此，它们可以被认为是自发神经元活动的一个非常强大的特征。有趣的是，在有限维的规则晶格上也观察到了这种标度行为，这就提出了实验观察到的平均场行为的起源问题。在这项研究中，我们提供了一个答案，这个开放的问题，通过调查活动依赖的可塑性与神经元的不应时间在神经元网络相结合的效果。结果表明，不应期阻碍向后雪崩，迫使一个定向传播。赫布可塑性适应的作用是将这些定向雪崩模式塑造成网络的拓扑结构，慢慢地将其变成一个分支结构，其中循环是边缘的。
2016-08-10 nlin.AO q-bio.NC
Evidence for Dynamic Excitation-Inhibition Ratio in Networks of Cortical Neurons
在这份报告中，试验到试验的变化，在同步响应的神经网络的兴奋抑制比是一个动态变量的时间尺度分钟的证据。在离体大规模皮层网络中研究了对刺激的同步网络反应。我们发现，次秒的措施，个人的同步响应，即-其延迟和衰减持续时间，与分钟尺度的网络响应动态。网络响应性反映为延迟衰减平面的区域中的驻留或在延迟衰减平面的区域之间的转移。潜伏期和衰减持续时间对突触阻滞剂的不同敏感性意味着这两种措施反映了抑制性和兴奋性神经元群体对反应动力学的有效影响。综上所述，数据表明，在重复刺激下的网络反应的变化是由兴奋抑制比是一个动态变量，而不是一个参数。
2014-12-31 q-bio.NC
Analysis and Model of Cortical Slow Waves Acquired with Optical Techniques
慢波（SW）是在自然睡眠和麻醉期间发生的皮层活动的时空模式，并且在物种之间保留。尽管电生理记录已被大量用于表征大脑状态，但它们在空间分辨率上受到限制，并且不能针对特定的神经元群体。最近，大规模的光学成像技术加上功能指标克服了这些限制，和新的管道的分析和新的方法的SW建模需要提取相关功能的时空动态SW从这些高度空间分辨率的数据集。在这里，我们结合了宽场荧光显微镜和转基因小鼠模型表达的钙指示剂（GCaMP6f）在兴奋性神经元研究SW传播的中尺度氯胺酮麻醉下。我们开发了一个通用的分析管道，以识别和量化的时空传播的SW。此外，我们设计了一个计算模拟器的基础上，一个简单的理论模型，考虑到统计的神经元活动，荧光蛋白的响应和慢波动力学。该模拟器能够合成人工信号，可以可靠地再现体内观察到的SW的几个特征，从而为分析管道提供校准工具。实验和模拟数据的比较显示了分析工具的鲁棒性及其揭示慢波活动（SWA）的机制见解的潜力。
2020-01-31 q-bio.NC
Sudden synchrony leaps accompanied by frequency multiplications in neuronal activity
神经编码的经典观点依赖于神经元功能群之间的时间放电同步;然而，潜在的机制仍然是一个谜。在这里，我们实验证明了一种机制，神经元尖峰之间的时间滞后从几十毫秒跳跃到几乎零滞后同步。它也允许突然跳出同步，从而形成短时期的同步。我们的研究结果是基于一个实验程序，其中条件刺激被强制嵌入在一个大规模的网络皮层细胞在体外的神经元电路，并证实了神经元群体的模拟。潜在的生物学机制是对持续刺激的神经元响应潜伏期的不可避免的增加以及产生诱发尖峰所需的时间或空间总和。这些突然的跳跃和不同步可能伴随着神经元放电频率的倍增，因此提供了可靠的信息承载指标，这可能是两个主要神经元编码范式之间的桥梁。
2013-10-30 q-bio.NC
Temporal structure in neuronal activity during working memory in Macaque parietal cortex
据报道，在工作记忆任务的整个记忆期间，许多皮层结构具有持续升高的单个单位放电率。神经系统如何形成和维持这些记忆尚不清楚，但神经元网络活动的回响被认为是重要的。我们研究了单单位（SU）活动的时间结构，同时记录了局部场电位（LFP）活动的LIP区在下顶叶的两只清醒猕猴在记忆扫视任务。使用多锥度技术的谱分析，这在获得目前的结果中发挥了重要作用，我们发现在50- 90 Hz（伽马）频带的频谱功率在SU和LFP活动的记忆期间的海拔。该活动被调整到扫视的方向，为工作记忆期间编码运动计划的时间结构提供证据。我们还发现在50- 90 Hz γ波段的记忆期间SU和LFP活动是一致的，而在简单注视期间不存在一致的关系。最后，我们发现有组织的LFP活动在15- 25 Hz的频带，可能与运动执行和准备方面的任务。神经元活动可用于控制神经假体，但SU活动可能难以用皮质植入物隔离。由于LFP比SU活动更容易获得，我们在与运动规划和执行相关的LFP活动中发现的丰富的时间结构可能会加速这种医学应用的发展。
2000-05-10 q-bio.NC
Development of input connections in neural cultures
我们介绍了一种新的方法，定量评估神经元文化的连通性，基于统计力学的渗流图。这使我们能够跟踪文化的发展，并看到网络中连通性的出现。培养物在相当于足月的时间完全连接。文化的自发爆发活动与连通性平行发展。每个神经元的平均输入数可以以$m_0$为单位定量确定，$m_0$是激励神经元所需的激活输入数。对于$m_0\sim 10$，我们发现海马神经元平均具有$\sim 40-80$输入，而皮质神经元具有$\sim 50-100$，这取决于神经元密度。使用GABA $_\text{A}$拮抗剂荷包牡丹碱测定兴奋性神经元与抑制性神经元的比率。该比率在发育过程中发生变化，并在$7-8$天达到最终值，与GABA转换的预期时间一致。对于海马培养物，抑制性细胞包含培养物中神经元的约$30\%$，而对于皮质培养物，它们约为$20\%$。目前，任何电生理学或其他技术都无法获得关于神经元培养中网络连接性的这种详细的全局信息。
2010-07-31 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Multi-Objective Optimisation of Cortical Spiking Neural Networks With Genetic Algorithms
脉冲神经网络（SNN）通过神经元的全或无脉冲活动进行通信。然而，将大量的SNN模型参数拟合到观察到的神经活动模式，例如在生物实验中，仍然是一个挑战。以前的工作，使用遗传算法（GA）优化一个特定的高效SNN模型，使用Izhikevich神经元模型，仅限于一个单一的参数和目标。这项工作应用了一种称为非支配排序GA（NSGA-III）的GA版本，以证明对同一SNN执行多目标优化的可行性，重点是搜索网络连接参数，以实现兴奋性和抑制性神经元类型的目标放电率，包括不同的网络连接稀疏性。我们表明，NSGA-III可以很容易地优化各种射击率。值得注意的是，当兴奋性神经元的放电率高于或等于抑制性神经元的放电率时，误差较小。此外，当连接稀疏性被认为是一个参数进行优化，最佳的解决方案需要稀疏的网络连接。我们还发现，兴奋性神经元的放电率低于抑制性神经元，误差一般较大。总的来说，我们已经成功地证明了对经常性和稀疏SNN的网络参数实施多目标GA优化的可行性。
2021-05-14 cs.NE q-bio.NC
Auditory steady-state response and gamma oscillations in an excitatory-inhibitory balanced neuronal network
本研究提出了一种整合语音信号输入和耳蜗处理的神经网络模型，揭示了噪声对听觉稳态反应的影响，并展示了增强E-I平衡对提高听觉注意力的作用。
2025-10-13 q-bio.NC
Noise-enhanced nonlinear response and the role of modular structure for signal detection in neuronal networks
我们发现，感觉噪声与弱周期信号一起传递不仅增强了神经元网络的非线性响应，而且提高了对信号的响应的同步性。我们在神经元网络中揭示了这种现象，这些神经元网络处于鞍结分岔附近的动态状态，对应于持续网络振荡的出现。在这种状态下，即使是微弱的周期性信号也可以引起神经元活动的急剧非线性振荡。这些尖锐的网络振荡具有确定的形式和由非线性动力学方程确定的振幅。信噪比在最佳的感觉噪声水平达到最大值，表现出随机共振（SR）在人口水平。我们证明SR使用的模拟和数值积分的速率方程的皮质模型与随机神经元。利用这个模型，我们模仿了Gluckman等人的实验[B. J.Gluckman等人，Phys.Rev.Lett.，v. 77，4098（1996）]，其给出了哺乳动物脑中SR的证据。我们还研究了神经元网络中的神经元被分组在模块和每个模块的SR的制度。我们发现，即使是几个模块可以大大提高信号检测的可靠性相比，当一个模块化的组织是缺席的情况下。
2014-02-27 physics.bio-ph q-bio.NC
Emergence of Deviance Detection in Cortical Cultures through Maturation, Criticality, and Early Experience
本研究追踪体外皮质培养物的偏差检测发育，发现其随回路成熟内在涌现，临界性可稳定放大该功能，早期奇异球经验会强化偏差通路但降低检测指数，为预测编码机制和类脑人工系统设计提供参考。
2025-10-01 q-bio.NC
