对嗅觉诱发神经元反应的磋议频繁侧重于平均尖峰率，而波动则被视为里面产生的杂音。然则，自愿行为的波动频繁施展为行波迪士尼 彩乐园，会影响刺激诱发的反应和感知智谋度。这些波的基本机制尚不解析。此外，还不解析波是否与皮层记载中不雅察到的低速率和弱干系的 “不同步-不端正 ”动态一致。在这里，咱们样貌了一个大界限缠绵模子，该模子具有与生物表率干系的拓扑组织连通性和传导蔓延。咱们发现，自愿行波是这些蚁集的一个广宽脾气。模子中出现的行波是寥落的，惟有一小部分心经元参与任何单个行波。因此，它们不会引起可测量的尖峰干系性，并与局部异步不端正情景保抓一致。此外，通过调遣局部蚁集情景，它们不错形成对输入的反应，正如在体内不雅察到的那样。
一、简介
视觉皮层神经元的自愿行为和刺激诱发反应会出现不同进度的波动。这种波动不是由于神经尖峰机制固有的噪声变成的，因为神经尖峰机制的可靠性很高。从大脑皮层的单点不雅察，自愿波动肖似于宽带时期噪声经过。多点记载骄横，这些时期波动可能是穿越皮层区域的波的一部分。自愿的行波主淌若在与麻醉、寝息或低叫醒干系的慢波波动中不雅察到的。诚然行波被以为对大脑皮层缠绵有影响，但很难笃定其作用，因为活跃的大脑皮层情景施展出的波动更为复杂，以高频率和低振幅行为为主，这使得行波更难被检测到。此外，驱动输入被以为会灭火正在进行的动态变化，从而使行波对诱刊行为的潜在影响受到质疑。
伸开剩余96%最近的磋议标明，清醒情景下存在自愿行波，行波会影响嗅觉诱刊行为的幅度，根据行波与嗅觉输入的视网膜位点成列，行波不错进步知觉智谋度。然则，产生它们的机制以及它们是否与清醒皮层所独有的异步-不端正尖峰动态一致尚不解析。根据波的传播速率，咱们推测这些波是由沿无髓鞘水平纤维传播的动作电位产生的。为了考证这一假设，咱们磋议了一个尖峰蚁集模子，该模子跳动了一系列相宜生物学本质的神经元密度、距离干系的联合概率、兴盛/扼制平衡和突触电导情景。繁难的是，该模子包含了沿无髓鞘水平纤维传导的轴突时期蔓延，这将抓续行为模式塑变成与体内不雅察到的行为模式一致的行波。自愿的行波在该蚁集模子中相配显明，并在产生不同步-不端正动态的宽参数范围内抓续出现。
有东谈主可能会问，这些行波的出现是否会诱发干系变异，而干系变异已被发现会毁伤感知。尖峰蚁集模子的末端标明情况并非如斯。在狨猴视觉系统的缠绵模子和多电极记载中，咱们发现波引起的尖峰脉冲概率变化很小，仅对尖峰脉冲行为产生寥落的调遣作用。因此，咱们将该模子称为寥落波模子，将该机制称为寥落波机制。这与较小表率的蚁集模子不同，在较小表率的蚁集模子中，尖峰与行波的情景细密耦合，从而在尖峰行为中产生热烈的干系性。相背，在总计这个词皮层区域的表率上，自愿波不错在尖峰概率的空间结构变化中出现，并通过寥落的尖峰行为沿水平纤维传播，而不会引起单个神经元行为中成对干系性的变化。因此，游走波不错与局部异步不端正情景共存，在保抓这种动态机制的缠绵上风的同期，还能带来其益处。
二、磋议末端
2.1 自愿突触波动与刺激诱发反当令期的波动很是
以往的磋议标明，大脑皮层中突触输入的逐时波动与刺激诱发反应的抓续时期在数目级上是疏通的。波动的突触输入可对神经兴盛性、增益调制 和嗅觉信息的读坐蓐生要紧影响。为解析解自愿蚁集情景对清醒视觉皮层诱发反应的影响，咱们在两只普通狨猴的 MT 区永远植入多电极 Utah 阵列，记载自愿行为和刺激诱刊行为。当狨猴固定一个固定点时，从单个电极记载到的自愿多单元行为的特色是低而不端正的辐照率。在多单元感受野内出现高显耀性刺激（10% 米歇尔森对比度漂移 Gabor）时，会引起热烈反应（图 1a）。在对屡次重复出现的刺激进行测量时，多单元平均辐照率从固定时的 13 ± 1.6 sp/s，高潮到对刺激作念出反当令的 97 ± 5.7 sp/s（N = 40 次试验，3 次记载）。这些诱发的尖峰反应在不同的试验中变化不定（平均扇形总计 = 1.01 ± 0.01 SEM，刺激脱手后 40-240 毫秒），与之前的不雅察末端一致。
图 1：自愿的蚁集波动与体内刺激诱发反应的幅度相似。a 从定点狨猴 MT 区域记载的重复呈现（N = 40）高对比度（10% 米歇尔森对比度）漂移 Gabor 的尖峰栅格（刺激启动，红线；平均反应，蓝线）。灰色为单次 LFP 弧线，玄色为平均 LFP 响应。基线（-200 毫秒到刺激脱手）和诱发波动（刺激脱手 + 50-250 毫秒）之间的相对功率显明偏向于诱发反应（右图；N = 110 次试验；中值 = 1.89 dB，p = 0.000019，双尾 Wilcoxon 秩和检修）。b 与（a）疏通，但为低对比度刺激（<2% 米歇尔森对比度）。基线和诱发 LFP 波动之间的相对功率与奇偶性无统计学相反（中位数 = 1.23 dB，P = 0.087 双尾 Wilcoxon 秩和检修）。d 自愿尖峰概坦直方图是固依时期 LFP 广义相位的函数。e 当自愿行波的兴盛相位（±π rad）与想法的视网膜位置对皆时（对皆，绿线），与兴盛相位（0 rad）对皆时（未对皆，紫线；N = 43 次行波和非行波试验；暗影区域 SEM；p = 0.0000015 双尾 Wilcoxon 秩和检修），对低对比度刺激的平均诱发反应更强。
这种可变性部分是由于诱发尖峰反应阵势部群体的突触行为抓续自愿波动的末端。这些波动的突触输入反过来又对局部场电位（LFP） 起作用。如果对高对比度试验进行平均，LFP 会出现与刺激诱发的尖峰反应一致的强有劲的负偏转，而刺激前时期则是平坦的（黑线，图 1a）。然则，在单次试验水平上，刺激诱发的 LFP 反应在幅度上与固依时期发生的自愿波动相似（图 1a 右面板）。在单次试验中，刺激前（-200 到 0 毫秒）和刺激脱手后（+50 到 +250 毫秒）的 LFP 相对功率与 0 分贝之间的相反很小，但很显耀，这代表了自愿波动和刺激诱发波动之间的均等性（中位数为 1.89 分贝，P = 0.00005 双尾 Wilcoxon 秩和检修）。
诚然强的、高对比度的视觉刺激诱发的 LFP 波动略强于固有的蚁集波动，但在弱视觉输入的情况下，这种区别就褪色了（图 1b）。当狨猴看到的微弱刺激惟有约 50% 的时期能被检测到（米歇尔森对比度小于 2%）时，唤起的尖峰响应显明更弱、更多变（平均 = 68 ± 4.4 sp/s，p = 0.0009；fano 因子 = 1.54 ± 0.14，p = 0.002，双尾 Wilcoxon 秩和检修）。这与较弱的平均 LFP 反应相对应，而且自愿波动与诱发波动之间的逐次试验相对功率与 0 dB 莫得显耀相反（中位数 = 1.23 dB，p = 0.07，双尾 Wilcoxon 秩和检修）。
鉴于自愿 LFP 波动的幅度与微弱嗅觉输入诱发的反应很是，咱们假设神经元尖峰的大部分可变性不错用局部蚁集的情景来解释，因为自愿行为和诱刊行为时期的突触驱动（施展为 LFP）大要疏通22,23。咱们最近证实说，清醒皮层中的自愿 LFP 波动被组织成海潮，穿过总计这个词皮层区域（图 1c 和补充影片 S1）。它们会调遣自愿尖峰飘零概率（图 1d），并根据其与神经元感受野的一致性径直影响刺激诱发反应的大小（图 1e）。咱们发现，自愿波不仅不会成为影响感知的噪声源，反而会根据其与视觉刺激的时空一致性进步山公检测刺激的能力。
2.2 蚁集模子中可能出现自愿行波，而不会变嫌单个神经元的尖峰统计量
为了惩办这个问题，咱们磋议了由具有平衡兴盛和扼制以及基于电导的突触的漏整合-辐照（LIF）神经元组成的大界限尖峰蚁集模子。这些动态的特色是辐照率低且可变、配对干系性弱以及变异总计（CV）接近调解。这些自抓情景为磋议尖峰蚁集能源学提供了一个契机，这种蚁集能源学是由蚁集本人的轮回行为组成的，而不是由立时的外部泊松突触输入主导的20，相配稳健模拟在主动感知经过中在大脑皮层不雅察到的自愿布景行为。
咱们开端磋议了一个基于电导的二维（2D）尖峰蚁集模子，在 6 × 6 宽泛毫米的区域内散播着卓绝 100 万个神经元，其中 80% 为兴盛性神经元，20% 为扼制性神经元，每个细胞立时联合 3000 个突触，形成一个联合寥落的蚁集（图 2a）。咱们在分析中剔除了外围一毫米的区域，得到了一个领有 450,000 个神经元的 4 × 4 宽泛毫米区域。采选这些值是为了接近普通狨猴MT区皮质 2/3 层神经元的密度和联合性。这个立时联合的蚁集产生自抓行为，具有自愿的尖峰波动，相宜异步-不端正机制，阑珊任何时空结构（图 2b，c）。模拟 LFP 是由 10×10 个神经元（很是于 67.8×67.8 μm2）的相邻非相通池的兴盛和扼制突触行为总数缠绵得出的，用于揣摸蚁集中每极少的局部兴盛情景，以便与电生理记载进行比较。总计这个词蚁集的 LFP 是均匀的，这是神经元池给与来自蚁集立时位置的突触输入所产生的末端（图 2c 和补充影片 S2）。
图 2：拓扑联合蚁集在不变嫌神经元尖峰动态的情况下产生结构性波动。a 二维尖峰蚁集模子暗示图，其中 80% 的神经元为兴盛性神经元（灰色），20% 的神经元为扼制性神经元（蓝色），神经元之间的联合概率均匀立时。根据单个 10 × 10 神经元池的突触电流总数缠绵出的 LFP 波动用红色标出。c 蚁集中每个神经元池的 LFP 振幅的空间组织画图在一个时期点上。d 蚁集暗示图与 (a) 疏通，但蚁集所以高斯概率（σ = 400 µm）进行拓扑联合的，行为具有随距离变化的传输蔓延（0. f 空间 LFP 振幅与 (c) 疏通，但 LFP 在总计这个词蚁集中是异质的，具有地形结构。g 立时蚁集（蓝线）和地形蚁集（紫线；N = 5000 个神经元；p = 0.28，双尾 Wilcoxon 秩和检修）的单细胞平均辐照率散播莫得相反。i 立时蚁集（蓝线）和地形蚁集（紫线；N = 10 个成对相邻神经元池；CI 检修，α = 0.05；虚线 95% CI）的配对尖峰一致性莫得相反。
为了检修具有传输蔓延的地形联合是否足以在蚁集中产生自愿的行波，行为对图 2a 中样貌的模子的创新，引入了两个关节因素：α = 0.05；虚线 95% CI。(1) 联合概率随神经元之间的距离以高斯形态衰减（σ = 400 µm） 以模拟皮层中的地形联合；(2) 动作电位激活突触电流的时期蔓延由神经元之间的距离决定，以模拟皮层中水平纤维的传导速率（vc = 0.2 m/s；42 图 2d）。该蚁集也会产生自抓、自愿的波动，但尖峰行为的组织性较弱，呈带状，以行波（光栅，图 2e）的形态在蚁集中转移。总计这个词蚁集中的 LFP 波动是异质的，并施展出有组织的空间结构，局部区域的振幅配合（图 2f 和补充影片 S3）。
为了检修这些有组织的地形波动是否变嫌了蚁集中单个神经元的异步不端正能源学，咱们比较了立时采选的兴盛神经元群（N = 5000）的辐照率和 CV。各蚁集的辐照率散播（平均辐照率 = 5.23 vs. 5.27 sp/s；p = 0.28，双尾 Wilcoxon 秩和检修；图 2g）和 CV 散播（平均 CV = 0.93 vs. 0.92；p = 0.11，双尾 Wilcoxon 秩和检修；图 2h）均无相反。因此，单个神经元保抓着不同步和不端正的辐照情景，而拓扑联合的蚁集则产生自愿的行波。
诚然东谈主们可能会以为有组织的尖峰行为带会导致神经元之间的干系性加多，但咱们莫得发现任何根据标明情况确乎如斯。地形联合的引入并莫得影响成对干系性，因为立时联合的蚁集和地形联合的蚁集之间的尖峰-尖峰联系进度莫得区别（图 2i）。尽管与立时联合的蚁集比拟，地形联合的蚁集在低频（30-50 Hz）产生的功率增大，而在高频（>60 Hz）产生的功率减小，但联系性莫得发生变化（图 2j）。因此，时空结构不错存在于这些蚁集中，而不会讲理 CV 或成对一致性，因为尖峰刺入概率仅受到行波存在的微弱调遣。在职何给定的毫秒内，神经元辐照尖峰的概率都很低，而行波的峰值只稍许加多了尖峰的概率（加多 2.33%），导致惟有一小部分心经元在职何给定的波的峰值时期辐照尖峰。因此，咱们将其称为 “寥落波 ”蚁集机制。如果神经元热烈参与了这些波动，那么它们就会在这些波动主导的频率范围内施展出一定进度的一致性。为了证实注解这极少，咱们模拟了一个神经元数目更少、联合更密集的较小蚁集（模子参数见表 S1），它产生的自愿波动对尖峰行为有热烈的调遣作用。这种 “密集波 ”蚁集确乎在行进波时期热烈调遣了尖峰行为（尖峰行为概率加多了 26.48%），从而在 LFP 波动主导的频段内产生了热烈的尖峰-尖峰干系性（图 S1）。蚁集中旁边位置的干系性增幅最大，且与距离呈负干系（Pearson's r = -0.72；图 S2）。因此，与密集波蚁集不同，寥落波系统中的行波并不一定会引起总计这个词蚁集中的成对干系性。
2.3 地形连通性和距离干系蔓延是产生自愿波的必要条目
正如假设的那样，加多地形联合和传导蔓延足以在蚁集行为中产生澄澈的时空组织（图 3a）。为了检测行波，咱们哄骗了在蚁集中以固定速率传播的行为模式会在二维时空快速傅立叶变换（FFT） 中产生一个斜率恒定的带这一脾气。繁难的是，诚然蚁集中每极少的功率谱密度都具有宽谱功率（图 2j），但二维时空快速傅立叶变换骄横出一个澄澈的谱峰（图 3b），其与时期和空间频率干系的斜率取决于轴突的传导速率。为了将这些行为模式归类为行波，并量化它们相关于狨猴皮层记载的脾气，咱们对每个 10 × 10 神经元池中的模拟 LFP 应用了与实验记载疏通的分析工夫（广义相位，GP17）。然后，咱们给与了之前诞生的一种工夫，用于检测噪声多电极记载中的行波。咱们估算了每个时刻的相位梯度，并缠绵出推测波长。然后，咱们笃定了蚁集中存在显耀空间组织的位置和时期。将不雅察到的波长与电极位置空间洗牌后的波长散播进行比较，以洗牌散播的第 99 百分位数行为阈值标准，从而笃定波长的显耀性（图 3c、d）。这种身手提供了一种智谋而隆重的身手来检测瞬息的行波。咱们发刻下拓扑联合的蚁集中约有 50% 的时期存在显明的波行为，而在立时联合且无蔓延的蚁集中则不存在显明结构化的波组织（图 3e），因为假设波长的散播与洗牌散播相似（图 3f）。
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图 3：自愿的地形蚁集波动像海潮一样传播。a 来自图 2 中地形联合蚁集的模拟 LFP 行为时期序列。b 二维（时空）FFT 骄横了沿时期（x 轴）和空间（y 轴）频率的时空能量麇集，反应了总计这个词蚁集的行为流。d 不雅察到的波长（蓝色）和对 LFP 池位置进行空间洗牌后的波长（红色，第 99 百分位数，红色虚线）的蕴蓄散播函数（CDF）。e 立时联合的蚁集中被归类为行波的点很少（占蚁集行为的 1.12%）。f 立时联合的蚁集特别洗牌后的波长 CDF 如 (d) 所示。
咱们还分手探讨了地形联合和传导蔓延在产生波方面的充分性（图 S3）。阑珊传导蔓延的地形蚁麇集产生有空间组织的行为，但二维 FFT 中莫得与行波一致的谱线（图 S3b）。相背，原来立时联合的蚁集中的蔓延莫得产生大界限的空间组织行为，但却有一条与传播行为一致的澄澈谱线（图 S3c）。由此，咱们得出论断，在咱们的框架中，地形连通性是出现大界限空间组织行为的必要条目，而传播蔓延则是行为在空间和时期上有端正流动的必要条目。在咱们的蚁集框架中，地形和蔓延都是产生时空动态的必要条目，这种动态在蚁集中的传播与咱们在皮层记载中不雅察到的行波一致。这些末端在一个更简便的一维（1D）蚁集模子中亦然一致的，在该模子中，行波的出现需要塞形联合和传输蔓延（图 S4）。
2.4 自愿波发生在总计这个词异步-不端正系统中
在示例蚁集中，具有轴突传导蔓延的拓扑联合足以诱发大界限的行为波，而不会讲理单个神经元的轻细异步-不端正动态。行波的存在是否适用于总计具有异步不端正行为、拓扑联合和轴突传导蔓延的蚁集？咱们在拓扑联合模子中扫描了 2500 种不同的兴盛和扼制（E/I）传导组合，发现存 601 种组合能产生自我抓续的尖峰行为。然后，咱们笃定了具有不同步-不端正尖峰动态的蚁集，其界说为平均兴立志射率在 1 到 25 sp/s 之间、平均 CV 在 0.7 到 1.438 之间的蚁集。在产生自我抓续行为的蚁集中，约 99% 的蚁集（601 个蚁集中的 599 个）被归类为异步不端正蚁集。然后，咱们测量了每个蚁集的行为显明组织成行波的时期百分比。在总计这个词异步不端正蚁集中都存在波（图 4a）。波行为的强度与 E/I 电导的大小呈负干系（Pearson's r = -0.55 ± 0.002，95% 置信区间 (CI)），这标明较弱的突触会导致较强的波行为。平均波长与突触强度呈正干系（Pearson's r = 0.72 ± 0.001；图 4b），标明突触权重越强，蚁集动态越同步。这些末端标明，自愿行波是地形连通性的一般脾气，与局部不同步-不端正情景实足一致。
图 4：自愿行波出刻下与异步-不端正能源学一致的蚁集情景中。a 在 4 毫米宽的地形蚁集模拟中，不同兴盛和扼制电导范围的波状行为百分比。如图 2d 所示，每个像素都是一个模拟蚁集，但兴盛和扼制电导分手对应其 x 坐标和 y 坐标。相宜异步不端正尖峰动态的蚁集位于玄色边框内。b 与（a）疏通，但画图的是波长散播的平均值。c 跟着蚁集界限的扩大（宽度从 0. d 总计自抓和异步不端正蚁集中出现的波行为比例跟着模拟蚁集的大小而加多（0.5、1、2、3 和 4 毫米大小的踏实 A-I 模拟分手为 163、532、752、540 和 599 个）。
蚁集界限对产生行波有多繁难？为了复兴这个问题，咱们在保抓神经元和联合密度不变的情况下，模拟了宽度从 0.5 毫米到 4 毫米不等的蚁集。关于较小的蚁集（约 0.5 毫米），E/I 空间相配有限的范围会产生自我保管的异步蚁集能源学。跟着蚁集界限的扩大，异步不端正参数空间也随之扩大，E/I突触强度的组合越来越小（图 4c）。因此，有必要在实足大的空间表率（>1 毫米）上模拟尖峰蚁集模子，以便在蚁集中产生异步不端正行为，其电导与体内揣摸的电导相似。在较小的蚁集表率上，异步不端正动态经过中的波长散播与空间洗牌并无区别，而故意于较长波长的参数也不会产生异步不端正行为。惟有在较大的蚁集表率上，波行为才变得相配显明（图 4d）。
2.5 蚁集连通性决定波的脾气
咱们采选的联合距离和传导速率参数对波的脾气有什么影响？咱们假设联合的空间范围和尖峰的传导速率分手径直摒弃着模子中行波的波长和传播速率。为了考证这些预计，咱们模拟了高斯联合概率散播的不同标准偏差（σs）值的蚁集。与咱们的假设一致的是，跟着联合距离的加多，168迪士尼彩乐园app繁难波长的散播也随之加多（图 5a 及补充影片 S4 和 S5），传导速率的加多也相应加多了传播速率，这反应在时空 FFT 中光谱线的斜率上（图 5b）。因此，自愿行波的宏不雅特征与模子中的特定蚁集结构径直干系。
图 5：波长和速率散播随联合距离和传导速率参数的变化而变化。a 在一系列高斯西格玛值范围内对地形联合概率进行模拟的蚁集，卓绝空间洗牌第 99 百分位数的波长散播。c 在一个由地形（90%）和立时（10%）联合的投影以及一系传记导速率（0.1-0.6 m/s）组成的蚁集中，显明的波长（白色像素）热烈存在。d （c）中的模拟特别洗牌（分手为蓝色和红色）的 CDF。
这些波是否惟有在实足高斯联合剖面和均匀传导速率的情况下才有可能出现，如故说它们不错承受与体内不雅察到的情况肖似的芜俚数值范围？为了测试这极少，咱们模拟了图 2 中的示例模子，在总计这个词蚁集中以均匀概率立时从头布线 10%的联合，产助长程联合。每个联合的传导速率取自如皮层中不雅察到的无髓鞘水平纤维的传导速率范围（0.1-0.6 m/s42,48,49）。自愿的行波在这些蚁集条目下抓续存在（图 5c、d），这标明行波的存在并不局限于固定或有限的同质蚁集属性，而是也发生在像皮层这么具有较大异质性的蚁集中。
2.6 蚁集模拟与体众人波一致
咱们在模拟中不雅察到的动态与在大脑皮层电生理记载中不雅察到的动态匹配进度若何？为了检修这极少，咱们将模子末端与狨猴 MT 记载的数据进行了比较，那时山公固定在原来灰色的缠绵机屏幕中央的一个点上。咱们测量了屡次记载经过中单单元和多单元行为群的平均辐照率（图 6a）和 CV（图 6b）。记载数据和寥落波模子的辐照率和 CV 散播在本色上是相似的，这标明皮层记载中的自愿动态也相宜异步-不端正机制。
图 6：模拟的蚁集能源学近似于在 MT 区皮层记载中不雅察到的能源学。a 图 2d 中拓扑蚁集模拟的单元平均辐照率散播（红色），以及从清醒的行动狨猴 MT 区记载的单单元和多单元中不雅察到的散播（蓝色）。b 模拟数据（红色）和记载的皮层数据（蓝色）的 CV 散播。c 图 5c 模拟数据（红色）、洗牌数据（黄色）和记载的皮层数据（蓝色）的波长 CDF。d 图 5c 中模拟的波速散播（红色）和记载的皮层数据（蓝色）的波速散播范围与轴突传导速率（0.1-0.6 m/s）一致。
接下来，咱们测量了数据中揣摸波长的散播，并将其与模子中的波长散播进行了比较。皮层中的 LFP 数据并不是安定于各电极的（就像咱们模拟的那样），而是采集了来自电极顶端周围半径约 250 μm 的皮层体积29,30 的信号，并具有随距离而下跌的干系性14。为了模拟皮层 LFP 记载的这些脾气，咱们使用了平滑核，扩大了每个模拟 LFP 点的积分区域，裁减了信号的安定性。对模拟 LFP 进行平滑处理并量化波脾气后，模拟波长的散播相配接近在皮层中不雅察到的散播（图 6c 中的灰色和蓝色虚线）。雷同，在蚁集模拟和数据中不雅察到的速率散播也障翳了水平纤维的传导速率范围，峰值约为 0.2 m/s（图 6d）。因此，在四种不同的测量谋略（尖峰率、尖峰变异性、波大小、波速率）中，蚁集模子的行为散播特征与实验记载相配接近。
2.7 由于与突触波动的微弱耦合，神经元寥落地参与到波中
寥落波和密集波蚁集中的行为若何影响单个神经元水平的膜电位？为了复兴这个问题，咱们磋议了每个蚁集中单个神经元的膜电位散播。在寥落波模子中，膜电位波动呈高斯散播且接近尖峰阈值，与波动驱动机制 一致（图 7a 中的黑线）。这与密波蚁集中膜电位的歪斜散播形成昭着对比，后者与神经元的突触驱动是集群和强干系的（图 7a 中的紫线）。
图7. a 寥落波蚁集（黑线）或密集波蚁集（紫线）中模拟神经元的膜电压由该神经元接收的兴盛性和扼制性突触电流之和缠绵得出。当电压越过阈值（Vth 红线）时，就会出现尖峰行为。b 模拟 LFP 的振幅（蓝线）与 10 × 10 神经元池中兴盛和扼制电导的相对水平（红线）呈反干系系。c LFP 与 ge - gi 差值的散点图骄横出显耀的负干系（N = 50,000 个时期点；Pearson's r = -0. d 在异步-不端正系统中，尖峰-相位耦合在总计这个词蚁集中都很显耀，耦合进度与突触电导的大小干系（N = 599 次模拟；Pearson's r = 0.78 ± 0.001，95% CI）。尖峰概率受 LFP 相位的调遣（N = 22 重采样 vs. shuffle；尖峰相位指数 = 0.15）。f 与 (e) 中疏通，但为记载的皮层数据。g 密集波蚁集模拟的尖峰-相位关系显明更强（N = 10 个重样；尖峰-相位指数 = 0.44，p = 0.0000085，双尾 Wilcoxon 秩和检修）。
在寥落波蚁集模子中，膜电位的立时波动产生了寥落和不端正的尖峰行为。这些波动是由局部群体兴盛-扼制平衡的变化驱动的，由于地形蚁集联合，相邻群体分享这些变化，并由跳动水平联合的尖峰传递。由此得出的机理不雅察末端是，当传导性高时，z-scored LFP 为正，扼制的分流效应主导了平衡。当电导较低时，z-scored LFP 为负，平衡转向兴盛，产生更多的尖峰行为。这种关系从机理上解释了皮层记载中尖峰脉冲与 LFP 的相位依赖关系。
为了证实注解模拟神经元受到行波的寥落调制，咱们在具有不同 E/I 突触电导的蚁集模拟中测量了每个尖峰发生时的 LFP 相位（从 -π 到 π 的 10 个 bins；图 7d）。在总计这个词参数空间中，尖峰相位的调制进度都很显耀，在接近 ±π 的相位上更有可能出现尖峰。这种调制的进度与 E/I 传导的进度干系（Pearson's r = 0.78 ± 0.001，95% CI；N = 599 次模拟），突触权重越强，尖峰行为与 LFP 波动的耦合越强，标明尖峰波越密集、越同步。在寥落波蚁集模子中不雅察到的尖峰相位调制幅度与记载数据之间莫得相反（N = 22 个匹配重采样；模子尖峰相位指数 = 0.15 ± 0.001 SEM；皮层尖峰相位指数 = 0. 16 ± 0.005；p = 0.18，双尾 Wilcoxon 秩和检修），但数据和模子的首选相位角略有不同（数据首选相位 = 3.05 rad，模子首选相位 = -2.27 rad）。
诚然皮层数据和寥落波模子的尖峰相位调制进度相似（图 7e、f），但密集波模子的调制显明更强（N = 10 个重样本；尖峰相位指数 = 0.44 ± 0.01，p = 0.000085，双尾 Wilcoxon 秩和检修；图 7g）。相位散播在峰值相位角（密集偏好相位 = -1.11 rad）上也有很大相反。此外，立时联合的蚁集莫得骄横出尖峰-相位关系（N = 22 个重样；尖峰-相位指数 = 0.03 ± 0.001 SEM，图 S5），这是 LFP 池中的神经元从散播在总计这个词蚁集的输入中摄取能量的蚁集的预期末端。这些末端标明，在模拟的大界限尖峰蚁集中，尖峰概率的微弱调制产生了寥落、相位调制的尖峰行为，这些尖峰行为沿着地形散播的水平纤维行进，从而形成了时空组织。体内存在肖似的尖峰-相位关系，迥殊是关于与实验揣摸的神经元传导情景相对应的模子传导情景，这标明模子中的寥落波机制与实验记载中不雅察到的波的脾气是一致的。
三、盘问
咱们最近发现，大脑皮层行为的自愿波动会调遣感官信息的瞬息处理经过，从而影响感知智谋度，而本磋议恰是基于这一发现并试图对这一发现作念出解释。这些波动既不是皮层名义的同步波动，也不是安定的噪声经过。这些波的脾气系统地取决于与距离干系的联正当式和动作电位传播速率。这些波与在行动狨猴皮层记载中不雅察到的波相配匹配，或与无髓鞘水平纤维的传导速率一致。在大脑皮层的神经元密度和联合性表率上，神经元寥落地参与了这些波。这些寥落波蚁集对尖峰输入保抓明锐，产生的诱发反应以相位依赖的方式调制，正如在体内不雅察到的那样。这与较小界限的蚁集形成昭着对比，后者施展出密集波，驱动总计这个词群体的干系波动，使蚁集对尖峰输入不解锐。
这些末端标明了在神经系统中接洽距离干系时期蔓延的繁难性。然则，在这些平均群体模子中，单细胞和群体行为之间的预计很难磋议，因为单细胞信息丢失了。终末，在阑珊距离干系蔓延的较小表率地形尖峰蚁集模子中也样貌了行波，但这些蚁集只产生了强干系尖峰行为的密集波。在这项责任中，咱们的大表率尖峰模子提供了一种视力，即与大脑皮层视觉区域大范围干系的表率上的距离依赖性蔓延提供了一种基本机制，在总计这个词兴盛和扼制平衡情景下将自愿行为塑变成波。此外，自愿波并不像夙昔的尖峰蚁集行波模子那样与不同步-不端正情景不一致，而是不错穿越这些大表率尖峰蚁集，而局部蚁集仍保抓局部不同步。因此，自愿行波不仅与异步-不端正机制一致，而且是皮层中地形连通性和距离依赖性蔓延在产生异步-不端正尖峰的条目下的势必末端。
繁难的是，咱们不雅察到的波寥落地调遣了蚁集中神经元的布景尖峰刺入概率，使它们或者保抓局部异步不端正动态。这些寥落波动态惟有在对蚁集进行实足界限的建模时才会表露出来，迥殊是在几毫米宽的区域内有几十万个神经元时。咱们的定制软件不错模拟约 100,000 到 1,000,000 个神经元的蚁集，每个细胞有 3000 个传出突触，最大蚁集的内存卓绝 60 GB。繁难的是，诚然咱们的蚁集模子中每个细胞有无数的突触，但可能的联结伙伴数目却很高，因此蚁集联合仍然寥落。繁难的是，咱们在这里不雅察到的寥落波可能与寥落同步的见识预计，寥落同步已被证实注解在窄带飘零时期促进了跨区域的信息传递。寥落波可能反应了这一原则在空间和时期上的伸开，同期也与体内自愿清醒行为中更广宽发生的宽谱波动相一致。
咱们的磋议发现，行波不一定会引起成对干系性，这乍看起来似乎与科学家的最新磋议不同，在后者的磋议中，行波来自不同期空表率的兴盛和扼制，并驱动了抓续动态中的共同变异性。咱们并不以为这些发现是相互摒除的。表面磋议和实验磋议1标明，这种分享变异性会对嗅觉处理产生无益影响，而且实验也不雅察到提防力会裁减这种分享变异性。比拟之下，咱们的模子并不产生热烈的低频动态，而是试图样貌占据较高频率范围（10 赫兹以上）的行波，咱们的模子以为这些行波是通过水平联合传播的。然则，这两个模子之间的一个关节区别在于它们的相对界限，因此尖峰干系性的相反究竟是由基本机制如故蚁集界限变成的，这个问题还莫得谜底。为了更好地再现体内不雅察到的更开阔的皮层能源学空间，有必要进行更多的磋议，以了解这些机制如安在大界限蚁集模子中相互作用。
与频繁在较小蚁集模拟中使用的超大电导不同，这里模拟的大界限蚁集使咱们或者将 E/I 突触强度与实验不雅察到的强度相近，从而得到与泄走电导 数目级很是的总 E/I 电导。这是有平正的，因为在较小的蚁集中需要较大的电导，这将导致尖峰行为与突触波动和分流驱动输入的不现实耦合，如密集波模子所示。通过将咱们的模子彭胀到几毫米皮层空间表率上的现实神经元密度（在本文磋议的案例中，16 宽泛毫米上有 450,000 个神经元），寥落波模子不错保管不端正的行为，单个突触输入的兴盛性联合和扼制性联合强度分手低至 0.5 和 4 nS。在这些空间表率和突触传导条目下，约有 50% 的时期存在波，这与咱们在新皮层中发现的情况相似，波长也与咱们在体内发现的波长接近。
繁难的是要意志到，诚然咱们的皮层薄片蚁集模子本色上会产生自我保管的行为，但体内的皮层回路是由其他皮层区域和皮层下结构（尤其是丘脑）的输入驱动的。丘脑失活已被证实注解会严重削弱大脑皮层神经元的自愿辐照率，这就冷漠了一个问题：体内的自愿行波是否也触及大脑皮层和皮层下区域之间的相互作用？在这项责任中，咱们的想法是磋议具有传导蔓延的地形联合是否足以产生自愿波，以及自愿波是否与异步-不端正能源学相容。因此，咱们采选使用最简便的模子来测试哪些参数不错再现咱们在皮层中不雅察到的波的脾气。毫无疑问，跨皮层区域和皮层下结构的大界限联合会影响皮层中自愿行为的特征，了解它们对内在行波脾气的孝敬将是异日磋议的一个繁难阶梯。
在刺激诱发、行动诱发和自愿条目下，依然不雅察到清醒皮层中神经行为的行波。然则，这些波的基本神经回路机制仍不解析。咱们的建模末端标明，在主动视觉经过中，咱们不雅察到的自愿 LFP 波动在大脑皮层中以海潮的形态行进，是由行进在无髓鞘水平纤维上的寥落尖峰行为波引起的。寥落波模子产生的行为模式与在体内不雅察到的尖峰行为一致，该模子以为，这些波产生于皮层区域内地形联合中尖峰通讯固有的时期蔓延。此外，该模子的不雅察末端标明，当这些寥落波穿过皮质区域内的无数递归联合时，它们会在局部 E-I 平衡中产生亚阈值转移，从而共同调遣皮质的兴盛性。因此，该模子为咱们的教学发现提供了解释，即知觉明锐度随波相位的成列而在空间和时期上变化。繁难的是，这些行进的波不需要引入被以为会毁伤知觉智谋度的干系变异性；相背，寥落波情景会微弱地调遣局部异步不端正神经元池中的布景尖峰概率。这些寥落波的存在并莫得像预计的那样成为杂音源，如果波的调制行为肖似于密集波机制，那么寥落波的存在就能增强原来无法感知的微弱输入。这些末端标明，这些行波可能是一种蚁集机制，当与前馈信号源对皆时，不错改善知觉处理，而不会讲理单个神经元不端正尖峰动态的缠绵上风。
四、磋议身手
4.1 体内皮层记载
本磋议中使用的记载和行动任务身手与之前发表的磋议效果疏通，后者提供了本磋议中使用的生理学和行动学数据。两只狨猴，一只雄猴（W 猴）和一只雌猴（T 猴）通过手术植入了一个头柱，用于在眼球追踪经过中踏实头部。头柱上有一个用于 64 通谈多电极记载阵列的 Omnetics 联合器，该阵列被植入 MT 区（立体坐标为前列 2 毫米，背侧 12 毫米）的 7 × 10 宽泛毫米的开颅手术中。山公 W 被植入一个 8 × 8 的记载阵列，通谈间距为 400 微米；山公 T 被植入一个 9 × 9 的阵列，通谈轮流移除，通谈间距为 800 微米。两个阵列的间距深度均为 1.5 毫米。使用气动植入棒将阵列永远植入 MT 区域。开颅用 Duraseal或 Duragen（禁闭，并用镶嵌牙科丙烯酸的钛网障翳。总计手术都是在全身麻醉、无菌环境下进行的，相宜好意思国国立卫生磋议院的引导方针。总计实验身手均已得到索尔克生物磋议所动物照应和使用委员会（IACUC）的批准，并相宜好意思国国立卫生磋议院的引导方针。
狨猴参预定制的狨猴椅，狨猴椅摒弃在法拉第盒内，与液晶骄横器（LCD）的距离为 40 厘米。骄横器刷新率为 100 Hz，经过伽玛校正，平均灰度亮度为 75 cd/m2。使用联合到 Intan RHD2000 USB 接口板的两个 Intan RHD2132 放大器，以 30 kHz 的频率记载犹他阵列的电极电压。在总计记载中，狨猴的头部都被头柱固定。眼位用 IScan CCD 红外录像机测量，眼位采样频率为 500 Hz。刺激呈现和行动摒弃通过 MATLAB中的 MonkeyLogic（检阅日历：2014 年 5 月 4 日，版块 1.0.26）进行管制。数字和模拟信号通过 National Instrument DAQ 卡和 BNC 分线盒进行配合。神经数据被分红两个数据流，用于离线处理尖峰（单和多单元行为）和 LFP。尖峰数据经过 500 Hz 的高通滤波，候选尖峰波形被界说为卓绝抓续电压波动的 1 秒滑动窗口的 4 SDs。如果在总计记载通谈的四分之一以上同步出现（0.5 毫秒内），则剔除伪波形。通过 MATLAB 中的开源尖峰分类软件 MClust进行主要素分析，采选候选尖峰时期周围的数据片断（1.5 毫秒）进行尖峰分类。分类单元被分为单单元和多单元，单单元通过自干系图中是否存在显明的折返期来考证。LFP 数据经过 300 Hz 的低通滤波，并向下采样至 1000 Hz，以便进一步分析。
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4.2 行动任务
对狨猴进行教训，使其向狨猴的脸部进行眼动，以启动视觉检测任务的试验。当狨猴的视野落在东谈主脸上时，东谈主脸会变成一个固定点（0.15 DVA）。狨猴在固定点（1.5°衙役）上保抓固定的最短时期（猴 W 400 毫秒，猴 T 300 毫秒），恭候漂移 Gabor 的出现。Gabor 想法的直径为 4 DVA，可在 1-2 个相邻电极的多单元尖峰行为中产生诱发反应。Gabor 的空间频率为 0.5 个周期/度，时期频率为 10 个周期/秒，可向 8 个可能的地方漂移。自愿数据分析的是想法出现前的固依期，不包括启动试验的启动囊回后至少 100 毫秒的固依期。早期固定中断（界说为眼球位置偏离固定窗口）不在分析之列。惟有在固定抓续时期卓绝最短抓续时期的额外立时抓续时期时，想法才会出现。立时抓续时期取自指数散播（平均抓续时期 = 200 毫秒），以生成平坦的危急函数。
4.3 蚁集联合和轴突传导蔓延
咱们磋议了具有非结构化立时连通性（立时蚁集，图 2a）或地形局部立时连通性（地形蚁集，图 2d）或地形蚁集密集版块（密集蚁集，图 7 和图 8）的尖峰蚁集模子。Ne = 0.8N 个兴盛神经元（指数为 1、2、......、Ne，其中 Ne 为宽泛数）均匀地成列在一个二维网格上。雷同，Ni = 0.2N 个扼制性神经元（Ne + 1、Ne + 2、......、N，其中 Ni 亦然一个宽泛数）也均匀地成列在一个二维网格上。两个网格的边长都是 L，何况齐心，共同组成一个由 N 个神经元组成的二维薄片。
在立时蚁集中，联合是立时和均匀画图的，独一建模的蔓延是与突触囊泡开释预计的蔓延τs，该蔓延在总计这个词蚁集中短且均匀。在地形蚁集和密集蚁集中，联合是从各向同性的二维高斯概率散播中立时抽取的，该散播在职一维度上的均值和标度σ均为零。
4.4 成对尖峰联系性
配对尖峰联系性使用多锥体身手缠绵85。咱们索要了由 10×10 个兴盛神经元组成的 LFP 估算池和相邻 LFP 池的尖峰序列。1000 毫秒的模拟时期被分红 500 毫秒的时期段，以 125 毫秒为一个步长来障翳总计这个词时期段。每个单元尖峰序列的直流重量被移除，并用一个单一的斯莱皮安锥度进行锥化，使 500 毫秒数据窗口的有用平滑频率达到 2.5 赫兹。
4.5 统计和重现性
体内电生理学的实验末端是在第一只山公身上得出的，并在第二只山公身上复制了肖似的末端。总计源于先前实验责任的分析末端均由新编写的分析代码进行重现。蚁集模拟和随后的数据分析（包括统计测试）当先都是在不同磋议所的不同机器上生成并重复的，以确保末端的可重复性。
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