Criticality and universality in neuronal cultures during “up” and “down” states
Notice bibliographique
Résumé
The brain can be seen as a self-organized dynamical system that optimizes information processing and storage capabilities. This is supported by studies across scales, from small neuronal assemblies to the whole brain, where neuronal activity exhibits features typically associated with phase transitions in statistical physics. Such a critical state is characterized by the emergence of scale-free statistics as captured, for example, by the sizes and durations of activity avalanches corresponding to a cascading process of information flow. Another phenomenon observed during sleep, under anesthesia, and in in vitro cultures, is that cortical and hippocampal neuronal networks alternate between “up” and “down” states characterized by very distinct firing rates. Previous theoretical work has been able to relate these two concepts and proposed that only up states are critical whereas down states are subcritical, also indicating that the brain spontaneously transitions between the two. Using high-speed high-resolution calcium imaging recordings of neuronal cultures, we test this hypothesis here by analyzing the neuronal avalanche statistics in populations of thousands of neurons during “up” and “down” states separately. We find that both “up” and “down” states can exhibit scale-free behavior when taking into account their intrinsic time scales. In particular, the statistical signature of “down” states is indistinguishable from those observed previously in cultures without “up” states. We show that such behavior can not be explained by network models of non-conservative leaky integrate-and-fire neurons with short-term synaptic depression, even when realistic noise levels, spatial network embeddings, and heterogeneous populations are taken into account, which instead exhibits behavior consistent with previous theoretical models. Similar differences were also observed when taking into consideration finite-size scaling effects, suggesting that the intrinsic dynamics and self-organization mechanisms of these cultures might be more complex than previously thought. In particular, our findings point to the existence of different mechanisms of neuronal communication, with different time scales, acting during either high-activity or low-activity states, potentially requiring different plasticity mechanisms.
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Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 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 tête enseignante, 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 ».