Synaptic potentiation facilitates memory-like attractor dynamics in cultured in vitro hippocampal networks
来自神经元的集体节律动力学对于记忆形成等认知功能至关重要，但神经元如何自我组织以产生这种活动还没有得到很好的理解。基于吸引子的模型已经成功地实现为神经元网络中记忆存储的理论框架。突触传递的活动依赖性修饰被认为是学习和记忆的生理基础。本研究的目的是证明，在体外海马神经元网络上使用药理学扰动，已被证明可以增加突触强度，遵循吸引子模型理论化的动力学假设。我们使用细胞外电极网格来研究这种扰动后网络活动的变化，并表明治疗后整体尖峰和爆发活动持续增加。这种活动的增加似乎招募了更多的“错误”尖峰脉冲。最后，相图显示了一个保守的活动模式，表明网络运行在一个稳定的动态状态。
2012-01-10 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Firing Cell: An Artificial Neuron with a Simulation of Long-Term-Potentiation-Related Memory
我们提出了一个神经元的计算模型，称为放电细胞（firing cell，FC），它的性质涵盖了诸如外部刺激的受体衰减，突触后电位的延迟和衰减，由于突触后电位通过树突的传播而引起的内部权重的修改，由于短时间突触增强或长时间突触增强的模式而对每个输入的模拟存储器的特性的修改（LTP）、当所有输入的总和超过阈值时的输出尖峰生成以及折射。细胞可以采取三种形式之一：兴奋性，抑制性和接受性。计算机模拟表明，根据输入信号的相位，人工神经元的输出频率可以表现出各种混沌行为。
2017-04-21 cs.NE q-bio.NC
Paradoxical Results of Long-Term Potentiation explained by Voltage-based Plasticity Rule
实验表明，在近端突触中引起长时程增强的相同刺激模式，将在远端突触中引起长时程抑制。为了理解这些和其他令人惊讶的观察结果，我们在突触的位置使用了赫布可塑性的现象学模型。我们的计算模型描述了Hebbian条件的前和突触后神经元的联合活动，在一个紧凑的形式作为相互作用的谷氨酸痕迹留下的突触前尖峰的突触后电压的时间过程。我们使用实验记录的海马和新皮层中的树突电压迹线来测试该模型。我们发现，在一个受刺激的突触附近的电压的时间过程是一个可靠的预测是否受刺激的突触经历增强，抑郁症，或没有变化。我们的模型可以解释突触增强和抑制实验的不同结果的存在-乍一看似乎是矛盾的-取决于突触的树突位置和刺激的频率或时间。
2020-11-18 q-bio.NC
Synaptic Scaling Balances Learning in a Spiking Model of Neocortex
大脑中的学习需要补充机制：增强和活动依赖的稳态缩放。我们介绍了突触缩放的生物现实的尖峰模型的新皮层，可以学习的振荡节奏的变化，使用STDP，并表明缩放是必要的，以平衡积极和消极的变化，从增强和萎缩的输入。我们讨论了在这样一个模型中考虑突触缩放时出现的一些问题，并表明缩放调节活动，同时允许学习保持不变。
2013-04-08 cs.NE q-bio.NC
How Can Memories Last for Days, Years, or a Lifetime? Proposed Mechanisms for Maintaining Synaptic Potentiation and Memory
由于记忆编码依赖于突触特性的持续变化，一个关键问题是，在分子更替的情况下，记忆如何能维持几天到几个月或一生？很可能正反馈回路是持续保持参与编码的突触强度所必需的。这种反馈可能发生在信号转导级联和/或翻译调节中，也可能发生在特定的亚细胞区室或神经元网络中。毫不奇怪，已经提出了许多积极的反馈回路。一些假定的环在生化信号转导级联水平上起作用，例如钙/钙调蛋白激酶II或蛋白激酶M的持续激活。另一个层次由涉及转录、表观遗传和翻译途径的反馈环以及生长因子如BDNF的自分泌作用组成。最后，在神经元网络水平上，编码记忆的细胞集合体的反复激活可能对记忆的后期维持至关重要。这些层面不是孤立的，而是通过反馈回路的共同组成部分联系在一起。在这里，我们回顾了一些经常讨论的反馈回路的特点，提出了维持记忆和长期突触可塑性的基础，评估证据和反对他们的必要性，并建议实验，可以进一步描绘这些反馈回路的动态。我们还讨论了建议的循环之间的串扰，以及这种相互作用可以促进记忆形成和存储的快速性和鲁棒性的方式。
2019-04-16 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
Simulations Suggest Pharmacological Methods for Rescuing Long-Term Potentiation
先天性认知功能障碍通常是由于突触可塑性基础的分子通路缺陷所致。例如，Rubinstein-Taybi综合征（RTS）是由于编码组蛋白乙酰转移酶CREB结合蛋白（CBP）的cbp突变所致。CBP是CREB的转录共激活因子，CREB依赖性转录的诱导在长期记忆（LTM）中起着关键作用。在RTS的动物模型中，cbp的突变损害了LTM和晚期长时程增强（LTP）。为了探索挽救LTP缺陷的干预策略，我们扩展了以前的LTP诱导模型来描述组蛋白乙酰化和模拟由于cbp突变导致的LTP损伤。通过参数变化模拟了合理的药物效应，许多增加了LTP。然而，没有与已知药物的生化作用一致的参数变化完全恢复LTP。因此，我们检查了成对的参数变化。一对模拟磷酸二酯酶抑制剂（减缓cAMP降解）与脱乙酰酶抑制剂（延长组蛋白乙酰化）同时作用的药物恢复了LTP。重要的是，这些成对的参数变化并没有改变基础突触重量。模拟磷酸二酯酶抑制剂和乙酰转移酶激活剂的一对也同样有效。对于这两对强的加性协同作用。这些结果表明，促进组蛋白乙酰化，同时减缓cAMP的降解可能构成一个有前途的策略，恢复赤字LTP可能与学习缺陷RTS。更一般地说，这些结果表明，结合建模和实证研究的策略可能有助于设计有效的治疗方法，以改善长期突触可塑性和认知障碍的学习。
2014-08-08 q-bio.NC
A Mathematical Model of Tripartite Synapse: Astrocyte Induced Synaptic Plasticity
在本文中，我们提出了一个生物学详细的数学模型的三方突触，星形胶质细胞调节短期突触可塑性。该模型由突触前终扣、突触后树突棘头、突触间隙和控制突触终扣内钙动力学的突触周星形胶质细胞组成。这反过来又控制了裂缝中谷氨酸的释放动力学。因此，谷氨酸浓度的裂缝已被建模，其中谷氨酸再摄取星形胶质细胞也已被纳入。最后，树突棘头动力学已建模。作为应用，该模型清楚地显示了海马区的突触增强，即，星形胶质细胞Ca 2+介导突触可塑性，这与大多数最近的发现一致（Perea & Araque，2007; Henneberger等，2010年; Navaltte等人，2012年）。
2012-03-12 math.DS q-bio.CB q-bio.NC
Fluctuation in background synaptic activity controls synaptic plasticity
突触可塑性对于大脑的学习和记忆至关重要。它包括长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）。尖峰频率是大脑中突触可塑性的主要组成部分之一，大脑是一个嘈杂的环境。最近，我们对频率依赖性突触可塑性（FDP）进行了数学分析，发现LTP更可能随着背景突触活动频率的增加而发生。先前的研究表明背景突触活动的幅度波动。然而，人们对突触可塑性和背景突触活动波动之间的关系知之甚少。为了解决这个问题，我们进行了基于钙的突触模型的数值模拟。然后，我们发现，由于背景突触活动波动的增加，导致突触重量的增加，成为LTD的趋势减弱。我们的结果表明，波动影响突触可塑性在大脑中。
2021-08-12 q-bio.NC
Bistable MAP Kinase Activity: A Plausible Mechanism Contributing to Maintenance of Late Long-Term Potentiation
MAP激酶（MAPK）活性的双稳态已被认为有助于几个细胞过程，包括分化和长时程突触增强。最近的一个模型（48）预测了由于MAPK途径中激酶和磷酸酶的相互作用而导致的双稳态，而没有MAPK对早期反应的反馈。使用这种模型和适合神经元的酶浓度，我们模拟了MAPK的活性，但双稳态只存在于一个相对狭窄的范围内的Raf，第一途径激酶的活性。分子数量的随机波动消除了小分子数量的双稳性，例如预期在树突棘的体积中。然而，正反馈回路已经假定从MAPK到Raf激活。一个提出的环，其中MAPK直接激活Raf被纳入模型。我们发现，这样的反馈大大提高了稳定状态的MAPK活性的随机波动和参数变化的鲁棒性。双稳态是强大的分子数量合理的树突棘体积。MAPK活性的上限状态对MEK活化的抑制具有抗性> 1小时，表明抑制剂实验不足以排除持续MAPK活性在LTP维持中的作用。这些模拟表明，持续的MAPK活性和随之而来的上调翻译可能有助于LTP的维护和长期记忆。使用荧光MAPK底物的实验可以进一步验证这一假设。
2008-02-18 q-bio.MN q-bio.NC
A Mathematical model for Astrocytes mediated LTP at Single Hippocampal Synapses
许多当代研究表明，星形胶质细胞在调节短和长形式的突触可塑性中起重要作用。有很少的实验模型，阐明星形胶质细胞的作用，在长时程增强（LTP）。最近，Perea & Araque（2007）证明了星形胶质细胞在单个海马突触处诱导LTP中的作用。他们提出了诱导这种N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体非依赖性LTP的纯粹突触前基础。此外，未研究这种突触前诱导的机制。在这篇文章中，我们提出了一个星形胶质细胞调节LTP的数学模型，它成功地模拟了Perea & Araque（2007）的实验结果。我们的研究表明逆行信使（可能是一氧化氮（NO））在这种突触前调节的LTP中发挥了作用。
2012-03-12 math.DS q-bio.CB q-bio.NC
Comparing Theories for the Maintenance of Late LTP and Long-Term Memory: Computational Analysis of the Roles of Kinase Feedback Pathways and Synaptic Reactivation
考虑到作为长时程突触增强（LTP）表达基础的蛋白质的更替，记忆是如何从几天维持到一生的？一种可能的解决方案依赖于突触正反馈回路，主要包括CaM激酶II（CaMKII）的持续激活和蛋白激酶M ζ（PKM）的自激活合成。最近的研究还表明，基于神经元组装或记忆痕迹内的反复突触再激活的正反馈对于维持记忆是必要的。这些反馈机制的相对重要性是有争议的。为了探索每种机制是必要的或足够的可能性，我们模拟了LTP的维护与一个简化的模型，将持续的激酶激活，突触标记，并优先重新激活强突触，并分析了最近的数据的影响。我们模拟了三种模型变体，每种变体都用一个反馈回路维持LTP：自激活PKM合成（变体I）;自激活CamKII（变体II）;以及强化突触的复发性再激活（变体III）。变体I要求并预测PKM必须有助于突触标记。变体II维持LTP，并表明持续的CaMKII激活可以维持PKM活性，这是以前未考虑的前馈相互作用。然而，我们注意到挑战这种反馈循环的数据。在变体III中，突触再激活驱动并因此预测CamKII和其他必需激酶的复发性或持续性活性升高，可能导致PKM水平的经验性持续升高。因此，预测再激活维持突触标记和可塑性相关蛋白的掺入的循环。我们还建议（模型变体IV），突触再激活和自主激酶激活可以协同维持LTP。我们提出的实验，可以区分这些维护机制。
2020-09-26 q-bio.NC
Regulation of Neuromodulator Receptor Efficacy - Implications for Whole-Neuron and Synaptic Plasticity
神经调质（NM）的膜受体在其分布和功效方面受到高度调节-这是一种影响单个细胞对NM释放的中枢信号的反应的现象。尽管NM受体调节与许多药物的药理作用有关，并且也已知受各种环境因素的影响，但其功能后果和作用模式尚不清楚。在本文中，我们总结了相关的实验证据NM受体的调节（特别是多巴胺D1和D2受体），以探讨其意义的神经和突触可塑性。我们确定NM受体调节（受体磷酸化，受体贩运和敏化第二信使途径）的相关组成部分，从培养细胞的研究中获得。确定了短期可塑性（致敏）的调控和控制的关键原则，并提出了一个模型，采用直接和间接的反馈调节受体的功效。我们还讨论了长期的可塑性，其中包括受体的敏感性和NM信号的响应性损失的变化。最后，我们讨论了NM受体调节模型的大脑可塑性和记忆的影响。我们强调，一个现实的模型，大脑可塑性将不得不超越赫布模型的长时程增强和抑郁症。NM受体的分布和功效的可塑性可能提供了另一个重要的功能可塑性来源，并对学习和记忆产生影响。
2004-01-28 q-bio.MN q-bio.NC
Synaptic Plasticity with Discrete state synapses
从海马CA 3-Shaffer侧支通路到海马CA 1锥体细胞的单个突触可塑性的实验观察表明，突触强度的转换发生在单个突触的离散水平上（~ \cite{Peter}和S. S.- H. Wang，未经作者许可使用未发表的数据）。这对于长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）诱导方案都发生。O 'Connor、Wittenberg和Wang认为，有三种状态可以解释他们对CA 3-CA 1通路中单个突触的观察。我们开发了一个定量模型，这三个状态系统之间的转换所确定的激酶和磷酸酶之间的竞争奥康纳等人。分别是决定性的LTP和LTD的状态。各种可塑性协议的具体预测给出耦合的离散突触AMPA电导变化的突触后膜电位和相关的细胞内钙通量的模型，以产生状态之间的转换率的描述。然后，我们提出了各种LTP和LTD诱导协议的模型系统，并报告所产生的整个细胞的AMPA电导的变化。我们还研究了我们的离散状态突触可塑性模型对实际振荡神经元同步的影响。我们发现，一对一的同步增强了可塑性，我们在这里讨论和突触前和突触后振荡的相位。在这个模型中，突触强度自然饱和，不需要人为的上限或下限，这与早期的可塑性模型相反。
2005-01-18 q-bio.NC q-bio.QM
Self-organization of microcircuits in networks of neurons with plastic synapses
与简单的随机网络模型相比，皮层网络的突触连接具有某些布线图案的过度表达。这种结构的形成，部分是由突触可塑性，促进或抑制神经元之间的连接，这取决于他们的尖峰活动。通常，理论研究集中在前馈输入如何驱动可塑性以创建这种网络结构。我们研究了循环网络中自组织结构的互补性情景，其中尖峰时间依赖的可塑性由自发动力学驱动。我们开发了一个自洽的理论，描述了网络结构的演变相结合的快速尖峰协方差与突触权重动态的快-慢理论。通过网络动力学的有限尺寸扩展，我们得到了一组低维的非线性微分方程的两个突触连接图案的演变。有了这个理论在手，我们探讨了可塑性规则的形式如何驱动皮层网络中微电路的演变。当增强和抑制处于近似平衡时，突触动力学依赖于加权发散、收敛和链基序的频率。对于加法，赫布STDP，这些基序相互作用在突触动力学中产生不稳定性，从而促进或抑制初始网络结构。我们的工作提供了一个一致的理论框架，研究如何在循环网络的尖峰活动与突触可塑性相互作用，以确定网络结构。
2014-12-20 q-bio.NC
Stochastic synaptic dynamics under learning
Bernstein Center for Computational Neuroscience（伯恩施坦计算神经科学中心）；Physics Department of Humboldt-Universität zu Berlin（柏林洪堡大学物理系）；Institute for Theoretical Biology, Department of Biology, Humboldt-Universität zu Berlin（柏林洪堡大学生物学院理论生物学研究所）；Einstein Center for Neurosciences Berlin（柏林爱因斯坦神经科学中心）
本文提出了一种基于突触时依赖性可塑性（STDP）的随机突触动力学模型，通过分析突触权重的随机过程，揭示了记忆退化的时间进程和记忆容量的计算方法。
2026-01-13 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Modeling Suggests Combined-Drug Treatments for Disorders Impairing Synaptic Plasticity via Shared Signaling Pathways
遗传性疾病如Rubinstein-Taybi综合征（RTS）和Coffin-Lowry综合征（CLS）会导致终身认知障碍，包括学习和记忆缺陷。是否可以建议药物治疗来改善这些疾病的学习和记忆？为了解决这个问题，我们在一个描述晚期长时程增强（L-LTP）诱导的计算模型中模拟了药物效应。在这些和其他疾病中受损的生化途径集中在一个共同的靶点上，即通过乙酰转移酶如CREB结合蛋白（CBP）进行的组蛋白乙酰化，这有助于L-LTP所需的基因诱导。我们集中在四个药物类别：原肌球蛋白受体激酶B（TrkB）激动剂，cAMP磷酸二酯酶抑制剂，组蛋白脱乙酰酶抑制剂，和ampakines。模拟表明，每种药物单独使用可能会挽救L-LTP的缺陷。然而，一个潜在的缺点是必须模拟强烈的药物作用（高剂量），这可能产生不良副作用。因此，我们研究了上述四类药物中六种药物对的作用。这些联合治疗使受损的L-LTP正常化，药物剂量明显较小。此外，这些组合中的三种，TrkB激动剂与ampakine配对以及cAMP磷酸二酯酶抑制剂与TrkB激动剂或ampakine配对，在L-LTP拯救中表现出强协同作用。因此，我们认为这些药物组合是有前途的候选人，在动物模型中的遗传疾病，损害乙酰化，L-LTP和学习的进一步实证研究。
2020-10-21 q-bio.NC
Effect of Inhibitory Spike-Timing-Dependent Plasticity on Fast Sparsely Synchronized Rhythms in A Small-World Neuronal Network
我们认为Watts-Strogatz小世界网络（SWN）组成的抑制性快速尖峰Izhikevich中间神经元。这种抑制性神经元群体具有由抑制性尖峰时间依赖性可塑性（iSTDP）支配的自适应动态突触强度。在以前的作品没有iSTDP，快速稀疏同步的节奏，与不同的认知功能，被发现出现在一系列的大噪声强度固定强突触抑制强度。在这里，我们研究的影响iSTDP的快速稀疏同步（FSS）通过改变噪声强度$D$。我们采用非对称反赫布时间窗口的iSTDP更新规则[这是在对比兴奋性STDP（eSTDP）的赫布时间窗口]。依赖于$D$的值，饱和突触抑制强度的群体平均值与初始平均值相比被增强[长时程增强（LTP）]或降低[长时程抑制（LTD）]，并且与初始分散相比，LTP/LTD的平均值的分散增加得多，与$D$无关。在大多数LTD的情况下，平均LTD的影响是占主导地位的分散的影响相比，好的FSS（具有较高的尖峰措施）被发现得到更好的通过LTD，而坏的FSS（具有较低的尖峰措施）被发现通过LTP变得更糟。抑制性突触可塑性中的这种马太效应与兴奋性突触可塑性中的马太效应相反，在兴奋性突触可塑性中，好（坏）同步通过LTP（LTD）变得更好（更差）。通过基于突触前和突触后锋电位时间延迟分布的微观方法，对突触抑制强度的LTD和LTP的出现进行了深入研究。此外，我们还研究了网络结构对FSS的影响，通过改变重布线概率$p$的…
2018-05-14 physics.bio-ph q-bio.NC
Paradoxical LTP maintenance with inhibition of protein synthesis and the proteasome suggests a novel protein synthesis requirement for early LTP reversal
从早期长时程增强（E-LTP）到晚期长时程增强（L-LTP）的转变涉及蛋白质的合成和降解。L-LTP通过在强直刺激之前和期间抑制蛋白质合成或蛋白酶体依赖性降解而被阻断，但矛盾的是，当合成和降解同时被抑制时，L-LTP不被阻断，这表明反作用的阳性和阴性蛋白质调节L-LTP。为了研究这一矛盾，我们模拟了Schaffer侧支突触的LTP。九个微分方程描述了正和负调节蛋白（PP和NP）的水平以及五个离散突触状态（基础状态（BAS），三个E-LTP状态（EP 1，EP 2，ED）和L-LTP状态（LP））之间的转换。刺激启动从BAS到EP 1和从EP 1到EP 2的转变，启动PP和NP的合成，并激活泛素-蛋白酶体系统（UPS）。UPS介导EP 1和EP 2向ED的转变和NP的降解。E-LTP向L-LTP的转化是由ED向LP的PP依赖性转变介导的。NP介导EP 2向BAS的逆转。该模型模拟经验观察：1）正常L-LTP，2）单独被蛋白酶体抑制剂或蛋白质合成抑制剂阻断，以及3）当两种抑制剂一起应用时L-LTP的保存。这个抽象模型的元素可以与特定的分子和过程相关联。此外，该模型做出可测试的预测，例如在过渡到L-LTP之前的独特突触状态ED，以及UPS作用的时间窗口（在从EP 1和EP 2过渡到ED期间）。对这些预测的测试将为长期突触可塑性的过程提供深入的了解。
2018-08-20 q-bio.MN q-bio.NC
Metaboplasticity: The Reciprocal Regulation of Neuronal Activity and Cellular Energetics
Yildiz Technical University（伊斯坦布尔耶迪泰佩大学）
该研究通过模拟神经元代谢与能量代谢的相互作用，揭示了代谢限制对网络稳定性的关键作用，发现生物能量学与学习之间存在倒U型关系。
2025-12-25 q-bio.NC
