对嗅觉诱发神经元反应的研究时时侧重于平均尖峰率，而波动则被视为里面产生的杂音。但是，自愿举止的波动时时施展为行波，会影响刺激诱发的反应和感知理智度。这些波的基本机制尚不知晓。此外，还不知晓波是否与皮层记载中不雅察到的低速率和弱相关的 “不同步-不章程 ”动态一致。在这里，咱们形容了一个大规模辩论模子，该模子具有与生物表率相关的拓扑组织连通性和传导延伸。咱们发现体育游戏app平台，自愿行波是这些汇集的一个普遍性情。模子中出现的行波是稀少的，唯惟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相关性，并与局部异步不章程现象保捏一致。此外，通过鼎新局部汇集现象，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举止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酿成的，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，自愿波动访佛于宽带时候噪声经由。多点记载高慢，这些时候波动可能是穿越皮层区域的波的一部分。自愿的行波主如果在与麻醉、休眠或低叫醒相关的慢波波动中不雅察到的。固然行波被以为对大脑皮层辩论有影响，但很难细则其作用，因为活跃的大脑皮层现象施展出的波动更为复杂，以高频率和低振幅举止为主，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，从而使行波对诱发举止的潜在影响受到质疑。

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最近的研究标明，清醒现象下存在自愿行波，行波会影响嗅觉诱发举止的幅度，根据行波与嗅觉输入的视网膜位点陈设，行波不错普及知觉理智度。但是，产生它们的机制以及它们是否与清醒皮层所独有的异步-不章程尖峰动态一致尚不知晓。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，咱们研究了一个尖峰汇集模子，该模子逾越了一系列顺应生物学试验的神经元密度、距离相关的一语气概率、兴奋/扼制平衡和突触电导现象。蹙迫的是，该模子包含了沿无髓鞘水平纤维传导的轴突时候延伸，这将捏续举止模式塑酿成与体内不雅察到的举止模式一致的行波。自愿的行波在该汇集模子中相称彰着，并在产生不同步-不章程动态的宽参数范围内捏续出现。

有东说念主可能会问，这些行波的出现是否会诱发相关变异，而相关变异已被发现会毁伤感知。尖峰汇集模子的收尾标明情况并非如斯。在狨猴视觉系统的辩论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，仅对尖峰脉冲举止产生稀少的鼎新作用。因此，咱们将该模子称为稀少波模子，将该机制称为稀少波机制。这与较小表率的汇集模子不同，在较小表率的汇集模子中，尖峰与行波的现象精深耦合，从而在尖峰举止中产生热烈的相关性。违反，在通盘皮层区域的表率上，自愿波不错在尖峰概率的空间结构变化中出现，并通过稀少的尖峰举止沿水平纤维传播，而不会引起单个神经元举止中成对相关性的变化。因此，游走波不错与局部异步不章程现象共存，在保捏这种动态机制的辩论上风的同期，还能带来其益处。

二、研究收尾

2.1 自愿突触波动与刺激诱发反当令间的波动很是

以往的研究标明，大脑皮层中突触输入的逐时波动与刺激诱发反应的捏续时候在数目级上是换取的。波动的突触输入可对神经兴奋性、增益调制 和嗅觉信息的读坐褥生要紧影响。为知晓解自愿汇集现象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，记载自愿举止和刺激诱发举止。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举止的特质是低而不章程的辐射率。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，多单元平均辐射率从固定时的 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（平均扇形统统 = 1.01 ± 0.01 SEM，刺激脱手后 40-240 毫秒），与之前的不雅察收尾一致。

图 1：自愿的汇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）之间的相对功率彰着偏向于诱发反应（右图；N = 110 次试验；中值 = 1.89 dB，p = 0.000019，双尾 Wilcoxon 秩和历练）。b 与（a）换取，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互异（中位数 = 1.23 dB，P = 0.087 双尾 Wilcoxon 秩和历练）。d 自愿尖峰概率直方图是固依时间 LFP 广义相位的函数。e 当自愿行波的兴奋相位（±π rad）与主见的视网膜位置对皆时（对皆，绿线），与兴奋相位（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 秩和历练），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当令势部群体的突触举止捏续自愿波动的收尾。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）。但是，在单次试验水平上，刺激诱发的 LFP 反应在幅度上与固依时间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 分贝之间的互异很小，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 秩和历练）。

固然强的、高对比度的视觉刺激诱发的 LFP 波动略强于固有的汇集波动，但在弱视觉输入的情况下，这种区别就消散了（图 1b）。当狨猴看到的微弱刺激唯独约 50% 的时候能被检测到（米歇尔森对比度小于 2%）时，唤起的尖峰响应彰着更弱、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 秩和历练）。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 莫得显耀互异（中位数 = 1.23 dB，p = 0.07，双尾 Wilcoxon 秩和历练）。

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汇集的现象来解释，因为自愿举止和诱发举止时间的突触驱动（施展为 LFP）大要换取22,23。咱们最近讲明说，清醒皮层中的自愿 LFP 波动被组织成海浪，穿过通盘皮层区域（图 1c 和补充影片 S1）。它们会鼎新自愿尖峰回荡概率（图 1d），并根据其与神经元感受野的一致性班师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普及山公检测刺激的才能。

2.2 汇集模子中可能出现自愿行波，而不会改革单个神经元的尖峰统计量

为了处置这个问题，咱们研究了由具有平衡兴奋和扼制以及基于电导的突触的漏整合-辐射（LIF）神经元组成的大规模尖峰汇集模子。这些动态的特质是辐射率低且可变、配对相关性弱以及变异统统（CV）接近协调。这些自捏现象为研究尖峰汇集能源学提供了一个契机，这种汇集能源学是由汇集自己的轮回举止组成的，而不是由就地的外部泊松突触输入主导的20，相称顺应模拟在主动感知经由中在大脑皮层不雅察到的自愿布景举止。

咱们着手研究了一个基于电导的二维（2D）尖峰汇集模子，在 6 × 6 肤浅毫米的区域内散播着特等 100 万个神经元，其中 80% 为兴奋性神经元，20% 为扼制性神经元，每个细胞就地一语气 3000 个突触，形成一个一语气稀少的汇集（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 肤浅毫米区域。聘请这些值是为了接近普通狨猴MT区皮质 2/3 层神经元的密度和一语气性。这个就地一语气的汇集产生自捏举止，具有自愿的尖峰波动，顺应异步-不章程机制，短缺任何时空结构（图 2b，c）。模拟 LFP 是由 10×10 个神经元（很是于 67.8×67.8 μm2）的相邻非叠加池的兴奋和扼制突触举止总数辩论得出的，用于计算汇集中每小数的局部兴奋现象，以便与电生理记载进行比较。通盘汇集的 LFP 是均匀的，这是神经元池接管来自汇集就地位置的突触输入所产生的收尾（图 2c 和补充影片 S2）。

图 2：拓扑一语气汇集在不改革神经元尖峰动态的情况下产生结构性波动。a 二维尖峰汇集模子露出图，其中 80% 的神经元为兴奋性神经元（灰色），20% 的神经元为扼制性神经元（蓝色），神经元之间的一语气概率均匀就地。根据单个 10 × 10 神经元池的突触电流总数辩论出的 LFP 波动用红色标出。c 汇集中每个神经元池的 LFP 振幅的空间组织绘图在一个时候点上。d 汇集露出图与 (a) 换取，但汇集所以高斯概率（σ = 400 µm）进行拓扑一语气的，举止具有随距离变化的传输延伸（0. f 空间 LFP 振幅与 (c) 换取，但 LFP 在通盘汇集中是异质的，具有地形结构。g 就地汇集（蓝线）和地形汇集（紫线；N = 5000 个神经元；p = 0.28，双尾 Wilcoxon 秩和历练）的单细胞平均辐射率散播莫得互异。i 就地汇集（蓝线）和地形汇集（紫线；N = 10 个成对相邻神经元池；CI 历练，α = 0.05；虚线 95% CI）的配对尖峰一致性莫得互异。

为了历练具有传输延伸的地形一语气是否足以在汇集中产生自愿的行波，当作对图 2a 中形容的模子的翻新，引入了两个重要因素：α = 0.05；虚线 95% CI。(1) 一语气概率随神经元之间的距离以高斯表情衰减（σ = 400 µm） 以模拟皮层中的地形一语气；(2) 动作电位激活突触电流的时候延伸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）。该汇集也会产生自捏、自愿的波动，但尖峰举止的组织性较弱，呈带状，以行波（光栅，图 2e）的表情在汇集中迁徙。通盘汇集中的 LFP 波动是异质的，并施展出有组织的空间结构，局部区域的振幅协作（图 2f 和补充影片 S3）。

为了历练这些有组织的地形波动是否改革了汇集中单个神经元的异步不章程能源学，咱们比较了就地聘请的兴奋神经元群（N = 5000）的辐射率和 CV。各汇集的辐射率散播（平均辐射率 = 5.23 vs. 5.27 sp/s；p = 0.28，双尾 Wilcoxon 秩和历练；图 2g）和 CV 散播（平均 CV = 0.93 vs. 0.92；p = 0.11，双尾 Wilcoxon 秩和历练；图 2h）均无互异。因此，单个神经元保捏着不同步和不章程的辐射现象，而拓扑一语气的汇集则产生自愿的行波。

固然东说念主们可能会以为有组织的尖峰举止带会导致神经元之间的相关性增多，但咱们莫得发现任何凭据标明情况如实如斯。地形一语气的引入并莫得影响成对相关性，因为就地一语气的汇集和地形一语气的汇集之间的尖峰-尖峰联系进度莫得区别（图 2i）。尽管与就地一语气的汇集比较，地形一语气的汇集在低频（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汇集中，而不会龙套 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鼎新。在职何给定的毫秒内，神经元辐射尖峰的概率都很低，而行波的峰值只稍稍增多了尖峰的概率（增多 2.33%），导致唯惟一小部分心经元在职何给定的波的峰值时间辐射尖峰。因此，咱们将其称为 “稀少波 ”汇集机制。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。为了诠释这小数，咱们模拟了一个神经元数目更少、一语气更密集的较小汇集（模子参数见表 S1），它产生的自愿波动对尖峰举止有热烈的鼎新作用。这种 “密集波 ”汇集如确凿行进波时间热烈鼎新了尖峰举止（尖峰举止概率增多了 26.48%），从而在 LFP 波动主导的频段内产生了热烈的尖峰-尖峰相关性（图 S1）。汇集中周边位置的相关性增幅最大，且与距离呈负相关（Pearson's r = -0.72；图 S2）。因此，与密集波汇集不同，稀少波系统中的行波并不一定会引起通盘汇集中的成对相关性。

2.3 地形连通性和距离相关延伸是产生自愿波的必要要求

正如假设的那样，增多地形一语气和传导延伸足以在汇集举止中产生长远的时空组织（图 3a）。为了检测行波，咱们欺骗了在汇集中以固定速率传播的举止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性情。蹙迫的是，固然汇集中每小数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高慢出一个长远的谱峰（图 3b），其与时候和空间频率相关的斜率取决于轴突的传导速率。为了将这些举止模式归类为行波，并量化它们相关于狨猴皮层记载的性情，咱们对每个 10 × 10 神经元池中的模拟 LFP 应用了与实验记载换取的分析时刻（广义相位，GP17）。然后，咱们领受了之前确立的一种时刻，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，并辩论出推测波长。然后，咱们细则了汇集中存在显耀空间组织的位置和时候。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 百分位数当作阈值步履，从而细则波长的显耀性（图 3c、d）。这种门径提供了一种理智而慎重的门径来检测一会儿的行波。咱们发目下拓扑一语气的汇集中约有 50% 的时候存在彰着的波举止，而在就地一语气且无延伸的汇集中则不存在彰着结构化的波组织（图 3e），因为假设波长的散播与洗牌散播相似（图 3f）。

图 3：自愿的地形汇集波动像海浪一样传播。a 来自图 2 中地形一语气汇集的模拟 LFP 举止时候序列。b 二维（时空）FFT 高慢了沿时候（x 轴）和空间（y 轴）频率的时空能量鸠合，反馈了通盘汇集的举止流。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）的积攒散播函数（CDF）。e 就地一语气的汇集中被归类为行波的点很少（占汇集举止的 1.12%）。f 就地一语气的汇集过头洗牌后的波长 CDF 如 (d) 所示。

咱们还离别探讨了地形一语气和传导延伸在产生波方面的充分性（图 S3）。短缺传导延伸的地形汇辘集产生有空间组织的举止，但二维 FFT 中莫得与行波一致的谱线（图 S3b）。违反，蓝本就地一语气的汇集中的延伸莫得产生大规模的空间组织举止，但却有一条与传播举止一致的长远谱线（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规模空间组织举止的必要要求，而传播延伸则是举止在空间和时候上有规则流动的必要要求。在咱们的汇集框架中，地形和延伸都是产生时空动态的必要要求，这种动态在汇集中的传播与咱们在皮层记载中不雅察到的行波一致。这些收尾在一个更节略的一维（1D）汇集模子中亦然一致的，在该模子中，行波的出现需要隘形一语气和传输延伸（图 S4）。

2.4 自愿波发生在通盘异步-不章程系统中

在示例汇集中，具有轴突传导延伸的拓扑一语气足以诱发大规模的举止波，而不会龙套单个神经元的狭窄异步-不章程动态。行波的存在是否适用于通盘具有异步不章程举止、拓扑一语气和轴突传导延伸的汇集？咱们在拓扑一语气模子中扫描了 2500 种不同的兴奋和扼制（E/I）传导组合，发现存 601 种组合能产生自我捏续的尖峰举止。然后，咱们细则了具有不同步-不章程尖峰动态的汇集，其界说为平均兴答允射率在 1 到 25 sp/s 之间、平均 CV 在 0.7 到 1.438 之间的汇集。在产生自我捏续举止的汇集中，约 99% 的汇集（601 个汇集中的 599 个）被归类为异步不章程汇集。然后，咱们测量了每个汇集的举止彰着组织成行波的时候百分比。在通盘异步不章程汇集中都存在波（图 4a）。波举止的强度与 E/I 电导的大小呈负相关（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举止。平均波长与突触强度呈正相关（Pearson's r = 0.72 ± 0.001；图 4b），标明突触权重越强，汇集动态越同步。这些收尾标明，自愿行波是地形连通性的一般性情，与局部不同步-不章程现象统协调致。

图 4：自愿行波出目下与异步-不章程能源学一致的汇集现象中。a 在 4 毫米宽的地形汇集模拟中，不同兴奋和扼制电导范围的波状举止百分比。如图 2d 所示，每个像素都是一个模拟汇集，但兴奋和扼制电导离别对应其 x 坐标和 y 坐标。顺应异步不章程尖峰动态的汇集位于玄色边框内。b 与（a）换取，但绘图的是波长散播的平均值。c 跟着汇集规模的扩大（宽度从 0. d 通盘自捏和异步不章程汇集中出现的波举止比例跟着模拟汇集的大小而增多（0.5、1、2、3 和 4 毫米大小的相识 A-I 模拟离别为 163、532、752、540 和 599 个）。

汇集规模对产生行波有多蹙迫？为了回复这个问题，咱们在保捏神经元和一语气密度不变的情况下，模拟了宽度从 0.5 毫米到 4 毫米不等的汇集。关于较小的汇集（约 0.5 毫米），E/I 空间相称有限的范围会产生自我守护的异步汇集能源学。跟着汇集规模的扩大，异步不章程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，有必要在富足大的空间表率（>1 毫米）上模拟尖峰汇集模子，以便在汇集中产生异步不章程举止，其电导与体内计算的电导相似。在较小的汇集表率上，异步不章程动态经由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章程举止。唯独在较大的汇集表率上，波举止才变得相称彰着（图 4d）。

2.5 汇集连通性决定波的性情

咱们聘请的一语气距离和传导速率参数对波的性情有什么影响？咱们假设一语气的空间范围和尖峰的传导速率离别班师戒指着模子中行波的波长和传播速率。为了考证这些预计，咱们模拟了高斯一语气概率散播的不同步履偏差（σs）值的汇集。与咱们的假设一致的是，跟着一语气距离的增多，蹙迫波长的散播也随之增多（图 5a 及补充影片 S4 和 S5），传导速率的增多也相应增多了传播速率，这反馈在时空 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汇集结构班师相关。

图 5：波长和速率散播随一语气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一语气概率进行模拟的汇集，特等空间洗牌第 99 百分位数的波长散播。c 在一个由地形（90%）和就地（10%）一语气的投影以及一系传记导速率（0.1-0.6 m/s）组成的汇集中，彰着的波长（白色像素）热烈存在。d （c）中的模拟过头洗牌（离别为蓝色和红色）的 CDF。

这些波是否唯独在统统高斯一语气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访佛的凡俗数值范围？为了测试这小数，咱们模拟了图 2 中的示例模子，在通盘汇集中以均匀概率就地再行布线 10%的一语气，产孕育程一语气。每个一语气的传导速率取安祥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）。自愿的行波在这些汇集要求下捏续存在（图 5c、d），这标明行波的存在并不局限于固定或有限的同质汇集属性，而是也发生在像皮层这么具有较大异质性的汇集中。

2.6 汇集模拟与体大家波一致

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？为了历练这小数，咱们将模子收尾与狨猴 MT 记载的数据进行了比较，那时山公固定在蓝本灰色的辩论机屏幕中央的一个点上。咱们测量了屡次记载经由中单单元和多单元举止群的平均辐射率（图 6a）和 CV（图 6b）。记载数据和稀少波模子的辐射率和 CV 散播在实质上是相似的，这标明皮层记载中的自愿动态也顺应异步-不章程机制。

图 6：模拟的汇集能源学近似于在 MT 区皮层记载中不雅察到的能源学。a 图 2d 中拓扑汇集模拟的单元平均辐射率散播（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，咱们测量了数据中计算波长的散播，并将其与模子中的波长散播进行了比较。皮层中的 LFP 数据并不是零丁于各电极的（就像咱们模拟的那样），而是汇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，并具有随距离而着落的相关性14。为了模拟皮层 LFP 记载的这些性情，咱们使用了平滑核，扩大了每个模拟 LFP 点的积分区域，裁汰了信号的零丁性。对模拟 LFP 进行平滑处理并量化波性情后，模拟波长的散播相称接近在皮层中不雅察到的散播（图 6c 中的灰色和蓝色虚线）。一样，在汇集模拟和数据中不雅察到的速率散播也笼罩了水平纤维的传导速率范围，峰值约为 0.2 m/s（图 6d）。因此，在四种不同的测量蓄意（尖峰率、尖峰变异性、波大小、波速率）中，汇集模子的举止散播特征与实验记载相称接近。

2.7 由于与突触波动的微弱耦合，神经元稀少地参与到波中

稀少波和密集波汇集中的举止若何影响单个神经元水平的膜电位？为了回复这个问题，咱们研究了每个汇集中单个神经元的膜电位散播。在稀少波模子中，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）。这与密波汇集中膜电位的歪斜散播形成明显对比，后者与神经元的突触驱动是集群和强相关的（图 7a 中的紫线）。

图7. a 稀少波汇集（黑线）或密集波汇集（紫线）中模拟神经元的膜电压由该神经元摄取的兴奋性和扼制性突触电流之和辩论得出。当电压越过阈值（Vth 红线）时，就会出现尖峰举止。b 模拟 LFP 的振幅（蓝线）与 10 × 10 神经元池中兴奋和扼制电导的相对水平（红线）呈反相关系。c LFP 与 ge - gi 差值的散点图高慢出显耀的负相关（N = 50,000 个时候点；Pearson's r = -0. d 在异步-不章程系统中，尖峰-相位耦合在通盘汇集中都很显耀，耦合进度与突触电导的大小相关（N = 599 次模拟；Pearson's r = 0.78 ± 0.001，95% CI）。尖峰概率受 LFP 相位的鼎新（N = 22 重采样 vs. shuffle；尖峰相位指数 = 0.15）。f 与 (e) 中换取，但为记载的皮层数据。g 密集波汇集模拟的尖峰-相位关系彰着更强（N = 10 个重样；尖峰-相位指数 = 0.44，p = 0.0000085，双尾 Wilcoxon 秩和历练）。

在稀少波汇集模子中，膜电位的就地波动产生了稀少和不章程的尖峰举止。这些波动是由局部群体兴奋-扼制平衡的变化驱动的，由于地形汇集一语气，相邻群体分享这些变化，并由逾越水平一语气的尖峰传递。由此得出的机理不雅察收尾是，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，平衡转向兴奋，产生更多的尖峰举止。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。

为了诠释模拟神经元受到行波的稀少调制，咱们在具有不同 E/I 突触电导的汇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）。在通盘参数空间中，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 传导的进度相关（Pearson's r = 0.78 ± 0.001，95% CI；N = 599 次模拟），突触权重越强，尖峰举止与 LFP 波动的耦合越强，标明尖峰波越密集、越同步。在稀少波汇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互异（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 秩和历练），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）。

固然皮层数据和稀少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彰着更强（N = 10 个重样本；尖峰相位指数 = 0.44 ± 0.01，p = 0.000085，双尾 Wilcoxon 秩和历练；图 7g）。相位散播在峰值相位角（密集偏好相位 = -1.11 rad）上也有很大互异。此外，就地一语气的汇集莫得高慢出尖峰-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通盘汇集的输入中摄取能量的汇集的预期收尾。这些收尾标明，在模拟的大规模尖峰汇集中，尖峰概率的微弱调制产生了稀少、相位调制的尖峰举止，这些尖峰举止沿着地形散播的水平纤维行进，从而形成了时空组织。体内存在访佛的尖峰-相位关系，尽头是关于与实验计算的神经元传导现象相对应的模子传导现象，这标明模子中的稀少波机制与实验记载中不雅察到的波的性情是一致的。

三、筹商

咱们最近发现，大脑皮层举止的自愿波动会鼎新感官信息的一会儿处理经由，从而影响感知理智度，而本研究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，也不是零丁的噪声经由。这些波的性情系统地取决于与距离相关的一语气表率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称匹配，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一语气性表率上，神经元稀少地参与了这些波。这些稀少波汇集对尖峰输入保捏明锐，产生的诱发反应以相位依赖的风物调制，正如在体内不雅察到的那样。这与较小规模的汇集形成明显对比，后者施展出密集波，驱动通盘群体的相关波动，使汇集对尖峰输入不解锐。

这些收尾标明了在神经系统中谈判距离相关时候延伸的蹙迫性。但是，在这些平均群体模子中，单细胞和群体举止之间的量度很难研究，因为单细胞信息丢失了。终末，在短缺距离相关延伸的较小表率地形尖峰汇集模子中也形容了行波，但这些汇集只产生了强相关尖峰举止的密集波。在这项责任中，咱们的大表率尖峰模子提供了一种观点，即与大脑皮层视觉区域大范围相关的表率上的距离依赖性延伸提供了一种基本机制，在通盘兴奋和扼制平衡现象下将自愿举止塑酿成波。此外，自愿波并不像昔日的尖峰汇集行波模子那样与不同步-不章程现象不一致，而是不错穿越这些大表率尖峰汇集，而局部汇集仍保捏局部不同步。因此，自愿行波不仅与异步-不章程机制一致，而且是皮层中地形连通性和距离依赖性延伸在产生异步-不章程尖峰的要求下的势必收尾。

蹙迫的是，咱们不雅察到的波稀少地鼎新了汇集中神经元的布景尖峰刺入概率，使它们大致保捏局部异步不章程动态。这些稀少波动态唯独在对汇集进行富足规模的建模时才会涌现出来，尽头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 个神经元的汇集，每个细胞有 3000 个传出突触，最大汇集的内存特等 60 GB。蹙迫的是，固然咱们的汇集模子中每个细胞有多半的突触，但可能的一语气伙伴数目却很高，因此汇集一语气仍然稀少。蹙迫的是，咱们在这里不雅察到的稀少波可能与稀少同步的意见关系，稀少同步已被诠释在窄带回荡时间促进了跨区域的信息传递。稀少波可能反馈了这一原则在空间和时候上的张开，同期也与体内自愿清醒举止中更普遍发生的宽谱波动相一致。

咱们的研究发现，行波不一定会引起成对相关性，这乍看起来似乎与科学家的最新研究不同，在后者的研究中，行波来自不同期空表率的兴奋和扼制，并驱动了捏续动态中的共同变异性。咱们并不以为这些发现是相互扼杀的。表面研究和实验研究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留神力会裁汰这种分享变异性。比较之下，咱们的模子并不产生热烈的低频动态，而是试图形容占据较高频率范围（10 赫兹以上）的行波，咱们的模子以为这些行波是通过水平一语气传播的。但是，这两个模子之间的一个重要区别在于它们的相对规模，因此尖峰相关性的互异究竟是由基本机制如故汇集规模酿成的，这个问题还莫得谜底。为了更好地再现体内不雅察到的更广泛的皮层能源学空间，有必要进行更多的研究，以了解这些机制如安在大规模汇集模子中相互作用。

与时时在较小汇集模拟中使用的超大电导不同，这里模拟的大规模汇集使咱们大致将 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。这是有平允的，因为在较小的汇集中需要较大的电导，这将导致尖峰举止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（在本文研究的案例中，16 肤浅毫米上有 450,000 个神经元），稀少波模子不错守护不章程的举止，单个突触输入的兴奋性一语气和扼制性一语气强度离别低至 0.5 和 4 nS。在这些空间表率和突触传导要求下，约有 50% 的时候存在波，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。

蹙迫的是要意志到，固然咱们的皮层薄片汇集模子实质上会产生自我守护的举止，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。丘脑失活已被诠释会严重爽气大脑皮层神经元的自愿辐射率，这就提倡了一个问题：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，咱们的主见是研究具有传导延伸的地形一语气是否足以产生自愿波，以及自愿波是否与异步-不章程能源学相容。因此，咱们聘请使用最节略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性情。毫无疑问，跨皮层区域和皮层下结构的大规模一语气会影响皮层中自愿举止的特征，了解它们对内在行波性情的孝敬将是畴昔研究的一个蹙迫路子。

在刺激诱发、行动诱发和自愿要求下，也曾不雅察到清醒皮层中神经举止的行波。但是，这些波的基本神经回路机制仍不知晓。咱们的建模收尾标明，在主动视觉经由中，咱们不雅察到的自愿 LFP 波动在大脑皮层中以海浪的表情行进，是由行进在无髓鞘水平纤维上的稀少尖峰举止波引起的。稀少波模子产生的举止模式与在体内不雅察到的尖峰举止一致，该模子以为，这些波产生于皮层区域内地形一语气中尖峰通讯固有的时候延伸。此外，该模子的不雅察收尾标明，当这些稀少波穿过皮质区域内的多半递归一语气时，它们会在局部 E-I 平衡中产生亚阈值迁徙，从而共同鼎新皮质的兴奋性。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陈设而在空间和时候上变化。蹙迫的是，这些行进的波不需要引入被以为会毁伤知觉理智度的相关变异性；违反，稀少波现象会微弱地鼎新局部异步不章程神经元池中的布景尖峰概率。这些稀少波的存在并莫得像预计的那样成为杂音源，如果波的调制举止访佛于密集波机制，那么稀少波的存在就能增强蓝本无法感知的微弱输入。这些收尾标明，这些行波可能是一种汇集机制，当与前馈信号源对皆时，不错改善知觉处理，而不会龙套单个神经元不章程尖峰动态的辩论上风。

四、研究门径

4.1 体内皮层记载

本研究中使用的记载和行动任务门径与之前发表的研究效果换取，后者提供了本研究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，用于在眼球追踪经由中相识头部。头柱上有一个用于 64 通说念多电极记载阵列的 Omnetics 一语气器，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 肤浅毫米的开颅手术中。山公 W 被植入一个 8 × 8 的记载阵列，通说念间距为 400 微米；山公 T 被植入一个 9 × 9 的阵列，通说念轮流移除，通说念间距为 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（顽固，并用镶嵌牙科丙烯酸的钛网笼罩。通盘手术都是在全身麻醉、无菌环境下进行的，顺应好意思国国立卫生研究院的带领方针。通盘实验门径均已赢得索尔克生物研究所动物照顾和使用委员会（IACUC）的批准，并顺应好意思国国立卫生研究院的带领方针。

狨猴干预定制的狨猴椅，狨猴椅放手在法拉第盒内，与液晶高慢器（LCD）的距离为 40 厘米。高慢器刷新率为 100 Hz，经过伽玛校正，平均灰度亮度为 75 cd/m2。使用一语气到 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。在通盘记载中，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。刺激呈现和行动戒指通过 MATLAB中的 MonkeyLogic（校正日历：2014 年 5 月 4 日，版块 1.0.26）进行照料。数字和模拟信号通过 National Instrument DAQ 卡和 BNC 分线盒进行协作。神经数据被分红两个数据流，用于离线处理尖峰（单和多单元举止）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特等捏续电压波动的 1 秒滑动窗口的 4 SDs。如果在通盘记载通说念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，聘请候选尖峰时候周围的数据片断（1.5 毫秒）进行尖峰分类。分类单元被分为单单元和多单元，单单元通过自相关图中是否存在彰着的折返期来考证。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

对狨猴进行西宾，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说念主脸上时，东说念主脸会变成一个固定点（0.15 DVA）。狨猴在固定点（1.5°衙役）上保捏固定的最短时候（猴 W 400 毫秒，猴 T 300 毫秒），恭候漂移 Gabor 的出现。Gabor 主见的直径为 4 DVA，可在 1-2 个相邻电极的多单元尖峰举止中产生诱发反应。Gabor 的空间频率为 0.5 个周期/度，时候频率为 10 个周期/秒，可向 8 个可能的主见漂移。自愿数据分析的是主见出现前的固依期，不包括启动试验的开动囊回后至少 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。唯独在固定捏续时候特等最短捏续时候的非常就地捏续时候时，主见才会出现。就地捏续时候取自指数散播（平均捏续时候 = 200 毫秒），以生成平坦的危机函数。

4.3 汇集一语气和轴突传导延伸

咱们研究了具有非结构化就地连通性（就地汇集，图 2a）或地形局部就地连通性（地形汇集，图 2d）或地形汇集密集版块（密集汇集，图 7 和图 8）的尖峰汇集模子。Ne = 0.8N 个兴奋神经元（指数为 1、2、......、Ne，其中 Ne 为肤浅数）均匀地陈设在一个二维网格上。一样，Ni = 0.2N 个扼制性神经元（Ne + 1、Ne + 2、......、N，其中 Ni 亦然一个肤浅数）也均匀地陈设在一个二维网格上。两个网格的边长都是 L，况兼齐心，共同组成一个由 N 个神经元组成的二维薄片。

在就地汇集中，一语气是就地和均匀绘图的，唯一建模的延伸是与突触囊泡开释关系的延伸τs，该延伸在通盘汇集中短且均匀。在地形汇集和密集汇集中，一语气是从各向同性的二维高斯概率散播中就地抽取的，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门径辩论85。咱们索求了由 10×10 个兴奋神经元组成的 LFP 估算池和相邻 LFP 池的尖峰序列。1000 毫秒的模拟时候被分红 500 毫秒的时候段，以 125 毫秒为一个步长来笼罩通盘时候段。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 毫秒数据窗口的灵验平滑频率达到 2.5 赫兹。

4.5 统计和重现性

体内电生理学的实验收尾是在第一只山公身上得出的，并在第二只山公身上复制了访佛的收尾。通盘源于先前实验责任的分析收尾均由新编写的分析代码进行重现。汇集模拟和随后的数据分析（包括统计测试）率先都是在不同研究所的不同机器上生成并重复的，以确保收尾的可重复性。

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