抑制性自突触对大脑新皮层的突触后电位同步行为的影响

Autapse is widespread and plays important roles in the real nervous system. For example, inhibitory autapse of fast-spiking inteneurons has been detected in the previous experiments on the cerebral neocortex, and is identified to induce spike-timing precision. More findings indicate that inhibitory autapse can influence synchronous behaviors and participate in information processing, behavior integration, and cognitive function. Up to now, the theoretical explanations on these experimental observations have been put little attention. In the present project, we will provide theoretical interpretations on the experimental observations by investigating the influences of dynamics of both inhibitory autapse and single neurons on the spatiotemporal behaviors of the neuronal network which is constructed based on the actual network topology of the neocortex. Choose different neuronal firing patterns consistent with neocortical neurons, combined with the synaptic dynamics, and study the influence of inhibitory autapse on neuronal firing behaviors such as spike-timing precision. Choose the neurons with different properties to construct the network, and mainly focus on the influences of different characteristics of inhibitory autapse and different properties of neurons on spatiotemporal behaviors, especially the postsynaptic potentials, by changing the proportion of neurons with inhibitory autapse and/or different properties of neurons. Furthermore, the difference of spatiotemporal behaviors between different size and topology of network with noise and time delay will be identified. The results of the present project will provide understandings on the effect of the inhibitory autapse on spatiotemporal behaviors of network and theoretical expanations on the experimental observations of neocortex, and be helpful for the identification of the biological function of the neocortex.

自突触在现实神经系统中普遍存在并发挥着重要作用，例如实验发现大脑新皮层存在快峰放电的中间神经元，其抑制性自突触会诱发精确放电，影响新皮层的同步行为，参与信息处理、行为整合和认知功能；但缺乏理论认识。本项目将针对这些实验现象，建立与新皮层结构相一致的网络模型，理论研究抑制性自突触和神经元节点动力学对网络时空行为的影响。选取符合新皮层神经元的不同放电，结合自突触动力学特征，研究抑制性自突触的动力学特性对不同神经元的放电行为如精确放电的影响；选取不同特性的神经元构建网络，改变具有抑制性自突触的神经元和/或不同特性神经元的比例，重点研究抑制性自突触的不同特征及神经元特性对网络时空行为特别是突触后电位的影响；揭示时空行为在不同网络规模和结构下以及噪声和时滞作用下的差异。通过该项目的研究，形成抑制性自突触对网络时空行为影响的全面认识，对新皮层的实验现象的提供理论解释，服务于揭示新皮层的生物功能。

自突触是神经元轴突与自身树突/胞体之间形成的一种特殊的突触，在现实神经系统中普遍存在，并通过自反馈调节神经元电活动及网络时空行为，参与神经系统的信息处理、运动控制和认知功能。本项目研究了自突触的兴奋\抑制性、时滞和耦合强度等特性对神经元电活动及网络时空行为的影响。首先，揭示了自反馈诱发的复杂电活动，包括：抑制性自突触（有、无时滞）增强神经元电活动，抑制性作用还会引起抑制后易化（post-inhibitory facilitation）及抑制后反跳（post-inhibitory rebound）等；不同的簇放电对兴奋性自突触（有、无时滞）有不同的响应，“Fold/Big Homoclinic”和“Circle/Fold cycle”簇放电活动会降低，而 “Fold/Homoclinic”簇放电会增强；抑制性忆阻自突触还可以诱导簇放电增强；抑制性自突触诱发神经元放电精确性增强。其次，揭示了自突触诱发复杂电活动的动力学机制。利用快慢变量分离、分岔和相位响应曲线揭示了簇放电在不同相位具有不同响应及不同兴奋性的峰放电具有不同的响应，结合自突触电流的时变特征，解释了抑制性自反馈诱导放电增强、兴奋性自反馈诱导放电减弱机制；为揭示神经电活动的复杂非线性机制提供了示例及方法和流程。再次，揭示了自突触调控网络时空行为及动力学机制。自突触会改变网络内神经元的兴奋性从II型变为I型，进而诱发网络同步降低到螺旋波；抑制性自突触会增强神经元及网络的相干共振，诱发II型兴奋性神经元构成的耦合系统出现滞后同步到超前同步的转迁。此外，提出了一种新的双慢变量的快-慢变量分离方法，识别了由两个慢变量调节的复杂簇放电的动力学；揭示了兴奋性突触诱导呼吸系统同步转迁和具有阈下振荡的簇放电的相干共振的机制。研究结果解释了自突触对神经元放电行为和网络时空行为调控机制，为调控新皮层的神经元行为和时空行为提供理论指导。