非线性爆发神经元的去甲肾上腺素能神经调制控制临界动力学

为保持对动态环境的适应性，神经活动必须同时具备敏感性与稳定性。为解决该问题，大脑被假设处于临界边界附近。然而，临界性以及这些对立的信息处理模式在大脑中究竟如何实现的，仍不清楚。该问题的一个潜在解决方案涉及用神经调制神经递质（如去甲肾上腺素——一种从脑桥蓝斑释放的高度保守化学物质）调制大脑皮层内禀非线性神经元。本文中，我们确认小鼠神经元放电接近于分支过程临界点，且临界性的时变特征随神经调制张力波动，这通过瞳孔直径的动力学改变来评估。我们通过建立非线性锥体神经元的双房室模型（具备规则放电与爆发两种模式）从理论上探究这些结果，该模型复现了我们关于略微亚临界动力学的主要实证发现。随后，我们以体内无法达到的分辨率探查模型，证明去甲肾上腺素差异化地改变放电临界性与爆发临界性，从而以倒 U 型曲线（在中等去甲肾上腺素能张力处达峰）促进敏感且稳定的动力学。最后，我们证明该中等去甲肾上腺素能区间表现出具有幂律尺寸与持续时间分布及标度关系的爆发雪崩，属于自组织临界性的普适类。我们的结果确认去甲肾上腺素能上行觉醒系统充当大脑中涌现临界动力学的控制参数。该方法可扩展用于探索其他神经调制物作为大脑的控制参数。