尖峰雪崩在睡眠-觉醒周期中展现普适动力学

尺度不变的神经元雪崩已在细胞培养物、脑片以及麻醉和清醒的大脑中观察到，表明大脑在临界点附近运行，即在雪崩传播和熄灭之间的狭窄边界内。理论上，临界性为行为中的大脑提供了许多理想特性，优化了计算能力、信息传输、对感觉刺激的敏感性和记忆库的大小。然而，对自由行为动物中神经元雪崩的全面表征仍然缺失，从而引发了对其与大脑功能相关性的质疑。为了解决这个问题，我们采用慢性植入的多电极阵列记录了14只大鼠在自发经历觉醒-睡眠周期、探索新物体或接受麻醉时，来自大脑皮层（V1和S1）和海马体的尖峰雪崩。然后，我们对尖峰雪崩进行建模，以评估稀疏的多电极阵列采样对其统计特性的影响。我们发现，自由行为动物中尖峰雪崩的大小分布很好地符合对数正态分布，而麻醉组则符合截断幂律分布。自由行为数据还具有与时间域临界性兼容的多个关键特征，例如1/f谱和通过去趋势波动分析测量的长期相关性。这些特征在清醒、慢波睡眠和快速眼动睡眠期间非常稳定，但在麻醉期间消失。同样，在所有自然行为状态下，等待时间分布服从单一标度函数，但在麻醉期间则不然。从V1、S1和海马体记录的神经元集群的结果是等效的。总之，这些数据为行为与大脑临界性之间提供了全面的联系，揭示了在所有主要行为中尖峰雪崩独特的尺度不变性。