Neuron
神经同步时间尺度决定皮层神经元放电变异性

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该研究揭示了皮层神经元放电变异性并非源自细胞内在噪声，而是由网络输入的同步特性决定。通过结合动态钳、体内电生理记录和大规模模拟，研究证明弱同步输入足以引发类似体内观察到的Poisson样放电，且同步时间尺度变化是放电变异性状态转换的关键因素。

 

文献概述

本文《Synchrony timescales underlie irregular neocortical spiking》，发表于《Neuron》杂志，回顾并总结了皮层神经元放电变异性机制，研究通过动态钳技术、体内记录和大规模电生理分析，揭示了神经元放电变异性的真正来源在于网络输入的同步性，而非细胞内在噪声机制。文章进一步探讨了同步性时间尺度在自发与驱动状态下的变化及其对放电变异性的影响，为理解神经网络动态提供新视角。

背景知识

在神经科学领域，皮层神经元的放电变异性长期以来被视为其固有特征。传统模型假设这种变异性源自细胞内在噪声机制或随机输入波动，然而，该研究挑战了这一观点，提出弱同步输入是放电变异性的主要驱动力。研究者通过动态钳技术模拟体内生理输入条件，发现即使在相同输入下，神经元仍能产生稳定、可重复的放电模式，表明细胞内在噪声对变异性贡献较小。进一步分析显示，同步输入的时间尺度变化是调节放电变异性的重要参数，自发活动下同步时间尺度较长且变异性高，而在感官驱动状态下，同步时间尺度缩短，变异性下降。该研究为理解神经网络动态调控机制、同步输入对放电模式的影响提供了重要实验和理论依据，为构建更真实的神经网络模型奠定基础。

 

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研究方法与实验

研究团队采用动态钳技术，在小鼠和狨猴皮层脑片中记录神经元的全细胞电流，并注入此前在体内视觉皮层记录的兴奋性和抑制性突触电导。通过重复注射相同电导和不同电导，分析放电模式的变异性和Fano因子。此外，研究还使用大规模神经元记录和χ同步指标分析体内同步性，并构建同步输入模型以验证同步性时间尺度对放电变异性的影响。

关键结论与观点

• 动态钳实验显示，相同生理输入下神经元放电模式高度一致，表明细胞内在噪声对变异性贡献有限。
• 同步输入时间尺度是决定放电变异性的重要因素，同步时间尺度越长，放电变异性越高。
• 体内记录表明，自发活动与驱动状态下的同步输入时间尺度存在显著差异，前者约为126ms，后者约为28ms。
• 同步输入模型模拟显示，即使输入相关性极低（ρ=0.01），同步性仍足以解释体内观察到的Poisson样放电。
• 神经元之间放电模式的差异源于其固有特性，尽管同步输入相同，不同神经元仍表现出特异性响应。
• 同步性时间尺度的调制可解释皮层网络状态变化下的变异性淬灭现象，即从自发到驱动状态的变异性下降。

研究意义与展望

本研究为神经元放电变异性的机制提供了新的解释，强调同步输入网络而非细胞内在噪声是主要来源。同步时间尺度的调控机制为神经网络建模提供了更准确的参数。未来研究可进一步探索同步输入的起源及其在不同脑区中的传播机制，以及其在神经疾病模型中的潜在作用。

 

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结语

本研究系统分析了皮层神经元放电变异性背后的机制，挑战了传统认为细胞内在噪声是主要来源的假设，提出同步网络输入是变异性产生的核心。通过动态钳、体内记录和大规模模拟，研究者证实同步输入时间尺度的变化足以解释自发与驱动状态之间的变异性转换。这一发现不仅深化了对神经网络动态的理解，也为构建更精确的神经模型提供了实验依据。研究还指出，尽管同步性程度较低，其在群体层面仍足以引发生理变异性，为未来神经网络研究和疾病模型构建提供了重要线索。

 

Jagruti J Pattadkal, Ronan T O’Shea, David Hansel, Darrin H Brager, and Nicholas J Priebe. Synchrony timescales underlie irregular neocortical spiking. Neuron.