单细胞分辨率下癫痫发作的全脑网络动力学

癫痫发作的特征在于多尺度上的异常脑动力学，涉及单神经元、神经元集群和粗粒度脑区。理解此类涌现群体动力学成因的关键在于捕捉多脑尺度上神经元活动的集体行为。在本论文中，我利用 larval zebrafish（幼体斑马鱼）捕捉癫痫发作期间全脑的单细胞神经元活动。首先，我利用统计物理方法量化癫痫发作期间单神经元动力学的集体行为。在此，我展示了单神经元动力学组织成癫痫发作的一种群体机制：脑动力学偏离相变。其次，我利用单神经元网络模型识别实际导致这种偏移发生的突触机制。在此，我表明网络中神经元连接的密度是驱动全面性癫痫发作动力学的关键。有趣的是，此类变化也破坏了脑网络中的网络响应特性和灵活动力学，从而将微观尺度神经元变化与癫痫发作期间的涌现脑功能障碍联系起来。第三，我利用非线性因果推断方法研究使癫痫发作得以发生的潜在神经元相互作用的本质。在此我表明，癫痫发作由高同步性驱动，但也由神经元间高度非线性的相互作用驱动。有趣的是，这些非线性特征在宏观尺度被滤除，因此可能代表可用于微观尺度干预策略的神经元特征。本论文展示了在幼体斑马鱼中研究多尺度动力学的效用，以将微观尺度神经元活动与癫痫发作期间的涌现特性联系起来。