Integrated brain network and cell-circuit models of slow network fluctuations

慢网络波动的集成脑网络和细胞电路模型

基本信息

项目摘要

ABSTRACT: The overarching goal of Project 4 is subsumed under Center Aim 3: Develop iterative interactions between modeling and empirical studies to integrate knowledge across data scales. To do so, Project 4 will develop novel computational models of neural circuit dynamics and apply them to fit features of multi-modal neural recordings in Projects 1-3. Models will be used to test hypotheses and gain insight into dynamical and biophysical mechanisms underlying slow brain network fluctuations (SBNFs) and their impact on local circuit processing of sensory information. Aim 1 will fit a dynamical systems model to capture the dynamics of spectral states in a cortical region, as measured by LFP, EEG, and iEEG. In addition, these regional models will be interconnected in a large-scale network model to simulate brain wide dynamical phenomena as measured by fMRI, such as functional connectivity and CAP states. We will test the specific hypotheses that slow (~0.1-1 Hz) fluctuations in spectral state can be captured through bistability with transitions induced by noise and adaptation, that even slower fluctuations (e.g, in arousal, or internal vs. external attention) can be captured by shifts between bistable and monostable dynamical regimes, and that these dynamics can account for spatiotemporal effects observed in fMRI. Aim 2 will develop biophysically detailed models of neocortical circuits with laminar resolution specifically designed to bring macroscale human iEEG/EEG to microscale cellular and circuit-level phenomena (cell spiking, LFP/CSD). Detailed models will be applied to study mechanisms of slow fluctuations in a small number key circuits that are the target of study in NHP in Project 3. We will systematically explore the manner in which cell type-specific properties, and layer specific thalamocortical and cortical connectivity, must be combined to replicate the multiscale dynamics revealed by NHP studies. We will test the specific hypothesis that patterns of exogenous drive together with cell-type-specific neuromodulation of channel conductances can induce slow fluctuations in circuit activity that translates across electrophysiological scales and species from cell activity up to EEG. We will also characterize how ongoing slow fluctuations impact circuit responses to bottom-up sensory evoked signals, linking slow neural dynamics to task performance. Exploratory Aim 3 will develop a multi-scale model to explore the interplay between microcircuit and large-scale network dynamics. Specifically, we will embed the biophysically detailed microcircuit models from Aim 2 as distinct nodes in a large-scale network in which the other nodes are simulated as phenomenological dynamical systems from Aim 1. Collectively, the aims of Project 4 will synthesize multi-modal recordings from Project 1-3 to develop multi-scale mechanistic computational models of cortical dynamics and SBNFs.
摘要:项目4的总体目标被归入中心目标3:开发迭代 建模和实证研究之间的相互作用,以整合跨数据规模的知识。做 因此,项目4将开发新的神经回路动力学计算模型,并将其应用于拟合特征 在项目1-3中的多模态神经记录。模型将用于测试假设,并深入了解 慢脑网络波动(SBNFs)的动力学和生物物理机制及其影响 关于感官信息的局部电路处理。目标1将拟合一个动力系统模型,以捕获 皮质区域中的频谱状态的动态,如通过LFP、EEG和iEEG测量的。另外这些 区域模型将在大规模网络模型中互连,以模拟全脑动力学 通过fMRI测量的现象,如功能连接和CAP状态。我们将测试具体的 假设光谱状态中的缓慢(~0.1-1 Hz)波动可以通过双稳态捕获, 由噪声和适应引起的过渡,甚至更慢的波动(例如,在觉醒中,或内部与外部的波动), 外部注意力)可以通过双稳态和单稳态动力学机制之间的转换来捕获,并且 这些动力学可以解释在功能磁共振成像中观察到的时空效应。目标2将发展生物制药 新皮层回路的详细模型,具有专门设计的层流分辨率, iEEG/EEG到微尺度细胞和电路级现象(细胞尖峰,LFP/CSD)。详细的模型将 应用于研究在少数关键电路的研究目标缓慢波动的机制, 项目3中的NHP。我们将系统地探讨细胞类型的特定属性和层 特定的丘脑皮层和皮层连接,必须结合起来复制多尺度动力学 NHP研究显示。我们将检验一个特定的假设,即外生驱力的模式与 通道电导的细胞类型特异性神经调节可以诱导电路活动的缓慢波动, 从细胞活动到脑电图,在电生理学尺度和物种之间进行转换。我们还将 表征持续的缓慢波动如何影响电路对自下而上的感觉诱发信号的响应, 将缓慢的神经动力学与任务表现联系起来。探索性目标3将开发多尺度模型, 探索微电路和大规模网络动力学之间的相互作用。具体来说,我们将嵌入 Aim 2中详细的生物物理微电路模型作为大规模网络中的不同节点,其中 其他节点被模拟为来自Aim 1的唯象动力系统。总的来说, 项目4将综合项目1-3的多模态记录,以开发多尺度机制 皮质动力学和SBNF的计算模型。

项目成果

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