Coupled feedback loops maintain synaptic long-term potentiation: A computational model of PKMzeta synthesis and AMPA receptor trafficking
长时程增强（LTP）是神经可塑性研究最多的类型之一，突触强度在刺激后持续增加。虽然许多不同的蛋白质已被牵连在亚细胞分子过程的诱导和维持LTP的基础，精确的机制仍然未知。一个特别的挑战是要证明一种拟议的分子机制可以提供维持数月或更长时间记忆所需的稳定性水平，尽管许多参与分子的寿命要短得多。在这里，我们提出了一个计算模型，结合模拟的几个生化反应，已建议在LTP文献，并表明所得到的系统确实表现出所需的稳定性。该模型的核心是两个相互关联的分子反应反馈环，一个涉及非典型蛋白激酶PKM β及其信使RNA，另一个涉及PKM β和含GluA2的AMPA受体。我们证明，强大的双稳态-稳定的平衡，在突触的增强和非增强状态-可以产生一组简单的分子反应。该模型能够解释广泛的实证结果，包括诱导和维持晚期LTP，细胞记忆再巩固和不同药物干预的影响。
2018-04-30 q-bio.MN q-bio.NC
Quantifying constraints determining independent activation on NMDA receptors mediated currents from evoked and spontaneous synaptic transmission at an individual synapse
突触通过称为突触融合的化学过程在突触前和突触后末端之间作用于神经传递。突触前终末释放神经递质或者响应动作电位，或者独立于突触前活动而自发释放。然而，突触后终末激活的诱发和自发神经传递的机制尚不清楚。为了解决这个问题，我们使用数学模拟研究了自发和诱发神经传递的可能性。我们的目的是解决生物物理的限制，可能会决定独立激活N-甲基-D-谷氨酸（NMDA）受体介导的电流响应诱发和自发谷氨酸分子的释放。为了确定自发和诱发谷氨酸释放之间的空间关系，我们考虑了定量因素，如突触的大小，扩散流动性的不均匀性，突触间隙的几何形状，和神经递质的释放速率。仿真结果表明，由于突触的尺寸较小，如果间隙空间在周边区域比中心区域更紧密，那么从中心和边缘释放的两个信号的串扰可能性很大。当突触尺寸较大时，中央区域的间隙空间比外部区域更接近，并且如果融合的几何形状具有更窄的空间，则这些产生更多的机会独立于从中心和边缘释放的两种模式的电流。计算结果与现有的实验结果相匹配，并作为进一步探索的路线图，以确定诱发和自发释放的独立性。
2022-10-08 math.DS q-bio.NC
High- and low-conductance NMDA receptors are present in layer 4 spiny stellate and layer 2/3 pyramidal neurons of mouse barrel cortex
NMDA受体是哺乳动物脑中由神经递质谷氨酸激活的离子通道，在突触功能和可塑性中很重要，但也存在于突触外位置并影响神经元兴奋性。存在不同的NMDA受体亚型，其单通道电导不同。最近，突触可塑性已在小鼠桶皮层，主要的感觉皮层的输入从动物的胡须。药理学数据表明，皮层第4层棘状星状神经元中存在低电导NMDA受体，但第2/3层锥体神经元中存在高电导NMDA受体。在这里，以获得互补的电生理信息的功能NMDA受体表达在第4层和第2/3层神经元，单个NMDA受体电流记录与膜片钳方法。这两种细胞类型被发现含有高电导以及低电导NMDA受体。结果是一致的药理学数据报告的突触可塑性，并与以前的索赔的一个突出的作用，低电导NMDA受体在第4层棘星状神经元，包括广泛的整合，放大和分布的桶内的兴奋，响应晶须刺激，以及调制的兴奋性环境谷氨酸。然而，第4层细胞也表达高电导NMDA受体。在第2/3层锥体神经元的低电导NMDA受体的存在下，这些功能中的一些可能与第4层棘星状神经元共享。
2016-09-05 q-bio.NC
A computational model for synaptic message transmission
本研究提出融合量子理论的突触信息传递计算模型，将神经递质与受体的作用类比为量子决策树的策略选择，还可结合遗传编程学习观测数据以模拟突触传递。
2023-10-02 q-bio.NC
Astrocytic NMDA Receptors Modulate the Dynamics of Continuous Attractors
本文利用带短时程突触抑制的连续吸引子神经网络模型，研究阻断星形胶质细胞NMDA受体降低神经递质释放概率变化对神经动力学的影响，发现其能稳定吸引子状态并降低移动性，从而深化了对NMDA受体在神经计算与记忆中作用的理解。
2024-06-11 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Accuracy in readout of glutamate concentrations by neuronal cells
该研究聚焦突触后神经元对谷氨酸浓度的读出准确性问题，通过分析Ca²+信号传导过程发现海马神经元的平均受体密度经进化可精准测量突触间隙的谷氨酸浓度，为理解学习记忆相关的神经机制提供了新依据。
2023-05-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.NC
Tonic activation of extrasynaptic NMDA receptors decreases intrinsic excitability and promotes bistability in a model of neuronal activity
NMDA受体（NMDA-R）通常有助于中枢神经系统中的兴奋性突触传递。虽然通过NMDA-R的钙内流在突触可塑性中起关键作用，但实验证据表明NMDAR介导的钙内流还通过钙激活钾通道的激活来改变神经元的兴奋性。这一机制尚未得到理论研究。我们的理论模型提供了一个简单的描述神经元的电活动，考虑到突触外NMDA受体和胞浆钙室的紧张活动。我们发现，由NMDA-R的紧张活性介导的钙内流可以直接耦合到钙激活钾通道的激活，导致对神经元兴奋性的整体抑制作用。此外，强直性NMDA-R活性的存在通过显著增加刺激间隔促进电活动中的双稳态，其中稳定的稳态和重复放电可以共存。这些结果为神经元回路中记忆痕迹的形成提供了内在机制。他们还阐明了$β$ -淀粉样蛋白在阿尔茨海默病和脑缺血中干扰NMDA-R时改变神经元活性的方式。
2020-01-31 q-bio.NC
Presynaptic modulation as fast synaptic switching: state-dependent modulation of task performance
处于突触前位置的神经调节受体在完全参与时具有抑制突触传递数秒至数分钟的能力。这有效地改变了连接的突触强度。许多关于神经调节的研究都基于这样的假设，即这些效应在每个神经元上都是一致的。然而，有相当多的证据表明，突触前调节可能是突触特异性的。这将定义第二个“权重调制”矩阵，其反映给定位点处的突触前受体功效。在这里，我们探讨这一假设的功能后果。通过分析和比较在任务的不同方面训练的网络的权重矩阵，我们确定了低复杂度“调制矩阵”的潜力，它允许在不同训练的子任务之间切换，同时保留任务的一般性能特征。这意味着一个给定的网络可以通过调节神经调质的释放来适应不同的任务需求。具体而言，我们建议（a）网络可以提供相关的分类任务，而不需要训练完全独立的网络和（b）网络可以混合“记忆模式”，旨在再现记忆模式和“新颖模式”，旨在促进新模式的分类优化的反应。我们将这项工作与神经调质对脑状态依赖性处理的已知影响联系起来。
2004-01-25 cs.NE q-bio.NC
Mechanistic bridges from receptors to whole-brain dynamics: promise and limits of master-equation mean-field models
Université Paris-Saclay, École Normale Supérieure Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学，巴黎萨克雷高等师范学院）；Paris-Saclay Institute of Neuroscience (NeuroPSI), CNRS, Paris-Saclay University（巴黎萨克雷神经科学研究所（NeuroPSI），法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）；École Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（巴黎综合理工学院，巴黎理工学院）
本综述梳理受体感知全脑模型的数学谱系，明确其约化假设，将其置于约化群体模型格局中，引入模拟成本与内存流量作为基准维度，界定该建模为多属性间的权衡。
2026-10-27 q-bio.NC
Brain state stability during working memory is explained by network control theory, modulated by dopamine D1/D2 receptor function, and diminished in schizophrenia
动态的大脑状态转换对于灵活的工作记忆是至关重要的，但其网络机制还不完全清楚。在这里，我们表明，工作记忆需要大脑活动状态之间的切换。状态的稳定性与多巴胺D1受体基因表达有关，而状态转换受D2受体表达和药理学调节的影响。精神分裂症患者表现出改变的网络控制特性，包括更多样化的能量景观和工作记忆表征的稳定性下降。
2019-06-21 physics.bio-ph q-bio.NC
The Narrow Escape problem in a flat cylindrical microdomain with application to diffusion in the synaptic cleft
布朗粒子到达细胞微区小靶点的平均首次通过时间（MFPT）是化学活化的关键参数。虽然渐近估计的MFPT是可用于各种几何形状，这些公式不能应用于退化结构的一个维度是小得多相比，其他的。在这里，我们研究的窄逃逸时间（NET）问题的布朗粒子到达一个小目标位于表面上的一个扁平的圆柱体，圆柱体的高度是可比的目标的大小，并远远小于圆柱体半径。当圆柱体是密封的，我们估计的MFPT布朗粒子击中一个小磁盘位于中心的下表面。对于一个横向开放的圆柱体，我们估计的条件概率和条件MFPT通过横向开口退出之前到达小磁盘。我们应用我们的结果扩散在狭窄的突触间隙，并计算分数和平均时间的神经递质找到其特定的受体位于突触后终端。最后，我们证实了我们的公式与布朗模拟。
2011-04-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.NC
Topological stability of the hippocampal spatial map and synaptic transience
哺乳动物的空间意识是基于对环境的内在表征--认知地图--由尖峰神经元网络编码。虽然行为研究表明这些地图可以长期保持稳定，但众所周知，由于各种形式的神经元可塑性，突触连接的基础网络不断改变其结构。这就提出了一个主要问题：一个动态网络如何编码一个稳定的空间地图？在下文中，我们讨论了一些最近的结果，在这个方向上使用代数拓扑建模方法，这表明，出现稳定的认知地图产生的网络与瞬态架构不仅是可能的，但可能是一个普遍的现象。
2019-09-17 q-bio.NC
Global stability of a Hebbian/anti-Hebbian network for principal subspace learning
Baylor College of Medicine（贝勒医学院）；Rice University（莱斯大学）
本文研究了Hebbian/anti-Hebbian网络在主子空间学习中的全局稳定性，证明了突触动态在两个阶段的演化特性。
2026-01-19 cs.NE math.DS q-bio.NC
Modeling Maintenance of Long-Term Potentiation in Clustered Synapses, Long-Term Memory Without Bistability
记忆至少有一部分是以强突触的模式储存的。在分子更替的情况下，突触如何在记忆持续存在的岁月里保持强大？一些模型假设生物化学的双稳态维持了强大的突触。然而，双稳态应该给出突触强度或重量的双峰分布，而目前的数据显示重量和相关变量（树突棘体积）的单峰分布。单突触的双稳性也从未被经验证明。因此，模型模拟单峰分布和长期记忆持续性是很重要的。在这里，开发了一个模型，连接正在进行的，竞争过程的突触生长和削弱的随机过程中的受体插入和移除树突棘。该模型模拟长期（超过1年）持久性的强突触组。结果是单峰重量分布。为了这种分布的稳定性，它被证明是必不可少的，将资源竞争组织成小集群的突触之间。在竞争的情况下，这些集群可以稳定多年。这些模拟与最近的数据一致，以支持集群可塑性假说，这表明集群，而不是单一的突触接触，可能是一个基本单位的长期记忆的存储。该模型进行了经验性预测，并可能提供一个框架，以研究保持突触可塑性和记忆稳定性之间的平衡的机制。
2015-04-08 q-bio.NC
Linear stability in networks of pulse-coupled neurons
在理解神经活动的第一步，我们应该关注各种动力学状态的稳定性。即使是理想化的制度，如一个完美的周期性尖峰活动的特点，揭示了意想不到的困难。在本文中，我们讨论了一般的相位响应曲线和突触后响应函数的脉冲耦合神经网络的线性稳定性的一般方法。我们特别介绍：（i）在无限网络和小突触电导的假设下开发的平均场方法;（ii）适用于有限但大网络的“微观”方法。因此，我们发现，无论神经网络有多大，它对大多数扰动的响应都取决于系统的大小。然而，还存在第二类扰动，其演化通常覆盖越来越宽的时间尺度。对完全规则的异步状态的分析表明，它们的稳定性关键取决于相位响应曲线和传递的突触后脉冲的平滑度。这一理论的普遍有效性是通过对不适合微扰方法的系统进行数值模拟来证实的。
2013-11-12 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Statistical Mechanical Study on a Neural Network Model with Time Dependent Interactions
我们研究了一个神经网络模型，其中神经元和突触相互作用在时间上同时进化。突触相互作用的时间演化由Langevin方程描述，该方程包括Hebbian学习项和Hopfield模型的偏置项。我们假设突触相互作用的变化比神经元慢得多，并通过复制方法研究突触相互作用的稳态。我们发现，相变的顺序从第二个到第一个的变化和Hopfield吸引子和混合状态的存在区域增加的学习项的系数增加。我们还研究了解的AT稳定性，发现Hopfield吸引子稳定的温度区域随着学习系数的增加而增加。理论结果得到了朗之万方程直接数值积分的证实。进一步，我们研究了部分退火所产生的突触相互作用的特性，发现部分退火后出现的吸引子的稳定性增强，共存吸引子的稳定性降低。
2009-03-11 physics.bio-ph q-bio.NC
Dynamics of a large system of spiking neurons with synaptic delay
我们分析了一个大系统的异质二次积分和消防（QIF）神经元的时间延迟，所有到所有的突触耦合。该模型被精确地减少到一个系统的点火率方程，利用调查的存在性，稳定性和完全同步，部分同步和非相干状态的分叉。结合这一分析，我们进行了广泛的数值模拟QIF神经元的原始网络，并确定部分同步状态的宏观和微观状态之间的关系。结果总结在两个相图中，同质和异质的人口，这是在很大程度上得到分析。对于兴奋性耦合，相图是非常相似的Kuramoto模型的时间延迟，虽然在这里的稳定性边界延伸到区域的参数空间中的神经元不是自持振荡器。相比之下，抑制耦合的边界结构是不同的，并且已经为同质网络揭示了仓本模型中不存在的各种部分同步状态的存在：集体混沌，准周期部分同步（QPS）和我们称之为调制QPS（M-QPS）的新状态。在异质性部分同步状态的存在下，联想到集体混沌，QPS和M-QPS持续。此外，异质性的存在极大地放大了激发和抑制的非相干稳定性边界之间的差异。最后，我们比较我们的结果与传统的（威尔逊-考恩型）点火率模型的时间延迟。传统的放电率模型的振荡不稳定性定性地同意我们的结果，只有在抑制耦合的情况下，具有强异质性。
2018-10-25 nlin.AO nlin.CD q-bio.NC
Short-Term Postsynaptic Plasticity Facilitates Predictive Tracking in Continuous Attractors
该研究将基于NMDAR的短期突触后可塑性引入连续吸引子神经网络，阐明其通过增强状态迁移实现对移动刺激的预测性追踪，并为脑启发预测算法提供新机制。
2023-09-27 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Astrocytic resource diffusion stabilizes persistent activity in neural fields
University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Minnesota（明尼苏达大学）；Vrije Universiteit Amsterdam（阿姆斯特丹自由大学）
研究通过引入星形胶质细胞-神经场耦合模型，揭示了星形胶质细胞扩散如何通过资源平滑和突触补充机制稳定神经场中的持久活动。
2026-04-11 nlin.PS q-bio.NC
Multiscale motion and deformation of bumps in stochastic neural fields with dynamic connectivity
本文扩展了界面方法导出的非线性 Langevin 方程，研究了具有慢速短期可塑性的连续神经场中隆起的多尺度随机动力学，揭示了可塑性对隆起稳定性及游走行为的影响。
2023-06-28 math.DS nlin.PS q-bio.NC
Rapid Changes in Synchronizability in Conductance-based Neuronal Networks with Conductance-based Coupling
本文将主稳定函数方法扩展到基于电导耦合的 Morris-Lecar 神经元网络，揭示反转电位对同步稳定性的决定性作用及兴奋/抑制转变的快速性，并发现抑制性连接在特定耦合强度下会出现同步性岛屿。
2023-09-20 q-bio.NC
