通过成熟、临界性与早期经验在皮层培养物中涌现偏差检测
神经元与认知
2025-10-02 v1
摘要
人类中的不匹配负性 (MMN) 反映偏差检测 (DD)，这是预测加工的核心神经机制。然而，DD 在早期皮层发育中如何形成和成熟，其基本原理—— potentially 为 MMN 提供神经支架——尚不清晰。本文跟踪了在 10-35 天培养的脱髓皮层培养物中 DD 的发展，这些培养物生长在高密度 CMOS 微电极阵列上。培养物被刺激以使用 oddball 和 many-standards 控制范式，同时记录了自发和诱发活性。早期阶段，诱发反应局限于快速成分，反映直接激活。从 DIV15-20 开始，出现强健的晚期反应，异常刺激逐渐地引起比频繁刺激和控制刺激更强的反应，标志着 DD 开始出现的时刻。到 DIV30，反应变得更强、更快且更具时序精确性。神经灾难分析揭示了从亚临界向接近临界动态的渐进转变，培养物表现出幂律统计，显示出最强的异常反应。尽管如此，DD 也存在于非临界网络中，这表明临界性并非其涌现所必需，但反而稳定和放大预测加工作为网络成熟的机制。早期的oddball 经验强化了异常通路，导致这些通路的传导更快。然而，随着频繁通路和异常通路变得不那么 distinct，偏差检测指数会降低。总体而言，这些发现表明 DD 通过局部回路的成熟天然产生，而向临界性的自组织和早期经验进一步细化其强度和时序，为简化的皮层网络中的预测编码提供机制性见解，并为设计具有自适应预测敏感性的人工系统提供指导。
引用
@article{arxiv.2510.00764,
title = {Emergence of Deviance Detection in Cortical Cultures through Maturation, Criticality, and Early Experience},
author = {Zhuo Zhang and Amit Yaron and Dai Akita and Tomoyo Isoguchi Shiramatsu and Zenas C. Chao and Hirokazu Takahashi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.00764},
year = {2025}
}