幼体斑马鱼大脑中自发脑活动源于成对相互作用

脑活动的特征在于全脑尺度的时空模式，这些模式由单个神经元之间突触介导的相互作用产生。钙成像可获取单神经元分辨率下的全脑活动体内记录，因此可用于研究大规模脑动力学如何由局部活动涌现。在本研究中，我们采用统计力学方法——成对最大熵模型（MEM）——从幼体斑马鱼大脑的集合活动模式中推断微观网络特征，并将这些特征与所观测全脑动力学的涌现联系起来。我们的结果表明，神经群体之间的成对相互作用及其内禀活动状态足以解释所观测的全脑动力学。事实上，用MEM估计的神经元群体间成对关系与观测到的结构连接模式高度对应。模型模拟还展示了调节成对神经元相互作用如何驱动全脑在临界态与病理性高兴奋态之间的转变。最后，我们利用虚拟切除识别对维持大脑处于临界态至关重要的脑结构。总之，我们的结果表明全脑活动由一个复杂动力系统涌现，该系统在不同吸引域之间转变，其强度与拓扑取决于脑区之间的连接性。