发育中神经元培养网络活动模式复杂动力学的简单模型
适应与自组织系统
2022-05-17 v1
摘要
分离神经元培养中的活体神经元网络因其在多种实验条件下产生高度鲁棒时空活动模式的能力而广为人知。这些包括满足幂律标度因而例证了活体系统中自组织临界性的神经元雪崩。一个关键问题是如何以生物学有意义、数学上可处理且又足够宽泛以解释神经元异质性与复杂性的方式对这些模式进行解释与建模。此处我们提出一个可对此问题给出答案的简单模型。我们的推导仅基于关于孤立神经元输入输出行为的少数现象学观察。该模型的一个显著特征是在最简描述层级上它仅由两个变量组成：一个网络活动变量与一个对应于维持活动及调节信号传输效能所需能量的外生变量。惊人的是，这一简单模型已能解释发育中神经元培养里网络尖波与爆发活动的涌现。模型行为与预测得到经验观察及已发表的培养神经元在氧与能量剥夺下行为的实验证据支持。在更大的网络尺度上，引入能量依赖调控机制使网络得以平衡于网络渗流相变的边缘。此状态下的网络活动展现出满足标度雪崩条件的群体爆发。该网络状态是自持续的，并代表了全局网络范围过程与个体单元自发活动之间的平衡。
引用
@article{arxiv.1812.09611,
title = {Simple model of complex dynamics of activity patterns in developing networks of neuronal cultures},
author = {I. Y. Tyukin and D. Iudin and F. Iudin and T. Tyukina and V. Kazantsev and I. Mukhina and A. N. Gorban},
journal= {arXiv preprint arXiv:1812.09611},
year = {2022}
}