宏观相位重置曲线决定互耦合神经回路中的振荡相干性与信号传递

不同脑区的宏观振荡表现出多种随时间持续存在的相位关系，并被认为与信息路由有关。多种细胞层面的机制影响网络动力学并构建宏观放电模式。关键问题在于识别允许此类 motifs 出现的生物物理神经元与突触特性，以及不同的相干状态如何决定神经回路之间的通信。我们分析在呈现全局伽马频段振荡的双向延迟耦合放电回路中锁相的出现。我们考虑了中间神经元（ING）和锥体-中间神经元（PING）两种伽马节律，以及靶向锥体神经元或抑制性中间神经元的互耦合。使用平均场方法结合精确约化方法，我们将每个放电网络分解为低维非线性系统，并推导出宏观相位重置曲线（mPRCs），其决定了全局振荡的相位如何响应外来扰动。根据伽马振荡的类型，我们表明传入的兴奋性输入可以仅加速振荡（相位超前；I型PRC）或同时引起宏观振荡的超前与延迟（相位滞后；II型PRC）。由此我们确定了两个弱突触耦合网络的宏观相干状态（锁相）的结构。为此我们推导了耦合系统的相位方程，将突触机制与系统的相干状态联系起来。我们表明传输延迟是对称性破缺的必要条件，即宏观振荡之间的非对称相位滞后，这可能为实验观察到的伽马锁相模式的多样性提供解释。