A unified theory of E/I synaptic balance, quasicritical neuronal avalanches and asynchronous irregular spiking
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Neuronal avalanches and asynchronous irregular (AI) firing patterns have been thought to represent distinct frameworks to understand the brain spontaneous activity. The former is typically present in systems where there is a balance between the slow accumulation of tension and its fast dissipation, whereas the latter is accompanied by the balance between synaptic excitation and inhibition (E/I). Here, we develop a new theory of E/I balance that relies on two homeostatic adaptation mechanisms: the short-term depression of inhibition and the spike-dependent threshold increase. First, we turn off the adaptation and show that the so-called static system has a typical critical point commonly attributed to self-organized critical models. Then, we turn on the adaptation and show that the network evolves to a dynamic regime in which: (I) E/I synapses balance regardless of any parameter choice; (II) an AI firing pattern emerges; and (III) neuronal avalanches display power laws. This is the first time that these three phenomena appear simultaneously in the same network activity. Thus, we show that the once thought opposing frameworks may be unified into a single dynamics, provided that adaptation mechanisms are in place. In our model, the AI firing pattern is a direct consequence of the hovering close to the critical line where external inputs are compensated by threshold growth, creating synaptic balance for any E/I weight ratio. Highlights Asynchronous irregular (AI) firing happens together with power-law neuronal avalanches under self-organized synaptic balance. Self-organization towards the critical and balanced state (with AI and power-law avalanches) occur via short-term inhibition depression and firing threshold adaptation. The avalanche exponents match experimental findings. The adaptation time scales drive the self-organized dynamics towards different firing regimes. Author summary Two competing frameworks are employed to understand the brain spontaneous activity, both of which are backed by computational and experimental evidence: globally asynchronous and locally irregular (AI) activity arises in excitatory/inhibitory balanced networks subjected to external stimuli, whereas avalanche activity emerge in excitable systems on the critical point between active and inactive states. Here, we develop a new theory for E/I networks and show that there is a state where synaptic balance coexists with AI firing and power-law distributed neuronal avalanches. This regime is achieved through the introducing of short-term depression of inhibitory synapses and spike-dependent threshold adaptation. Thus, the system self-organizes towards the balance point, such that its AI activity arises from quasicritical fluctuations. The need for two independent adaptive mechanisms explains why different dynamical states are observed in the brain.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».