A unified theory of E/I synaptic balance, quasicritical neuronal avalanches and asynchronous irregular spiking

Girardi‐Schappo, Mauricio; Galera, Emilio F.; Carvalho, Tawan T. A.; Brochini, Ludmila; Kamiji, Nilton L.; Roque, Antonio; Kinouchi, Osame

doi:10.1088/2632-072x/ac2792

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“…3a) with excitatory and inhibitory connectivity matrices W EE = W IE = J and W II = W EI = g·J that were constant. Specifically, we set g to 3.5 and obtained an E/I-balance that supported avalanche dynamics in the fully sampled system with critical exponents α = 3/2, β = 2, and χ = 2 approximating a critical branching process triggered by external Poisson inputs 37 (Suppl. Fig.…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Parabolic avalanche scaling in the synchronization of cortical cell assemblies

Capek

Ribeiro

Kells³

et al. 2022

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Neurons in cortex synchronize their spiking in response to local and distant inputs. These synchronized assemblies are fundamental to cortex function, yet basic dynamical aspects about their size and duration are largely unknown. Using 2-photon imaging of neurons in superficial cortex of awake mice, we show that synchronized assemblies organize as scale-invariant avalanches that quadratically grow with duration. This quadratic expansion was found only for correlated neurons and required temporal coarse graining to compensate for spatial subsampling when network dynamics are critical, as demonstrated in simulations. The corresponding time course of an inverted parabola with an exponent of 2 described avalanches of up to 5 s duration and maximized temporal complexity in the ongoing activity of prefrontal and somatosensory cortex and in visual responses of primary visual cortex. Our results identify a scale-invariant order in the synchronization of highly diverse cortical cell assemblies in the form of parabolic avalanches.

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Section: Resultsmentioning

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Parabolic avalanche scaling in the synchronization of cortical cell assemblies

Capek

Ribeiro

Kells³

et al. 2022

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“…Posteriormente, por meio de aproximações similares (Girardi-Schappo et al, 2021), foi apresentado um modelo de campo médio mais geral, que inclui inibição. A atividade estaci-onária aproximada obtida para função linear saturante foi,…”

Section: Atividade De Uma Rede Aleatória K-regularunclassified

“…Primeiro, ab ≫ 1, o que significa uma grande separação de escalas de tempo das dinâmicas de J e θ , sendo que a separação de escalas de tempo é uma característica comum em modelos de SOC (Pruessner, 2012). Segundo, para obter h = O(ρ * 2 ) ≈ 0 (Girardi-Schappo et al, 2021;de Candia et al, 2021;Menesse et al, 2022) é necessário que A = ⟨A i ⟩ ≈ K K E −1 , ou A ≈ 1 (no caso de sistema puramente excitatório com K grande). Note que dado estas condições, o primeiro termo de 4.13 desaparece, deixando a dependência correta h ∼ ρ * 2 que, no modelo estático, define o expoente de campo δ h = 2 para o campo médio de uma transição tipo Percolação Direcionada (Henkel et al, 2008;Muñoz et al, 1999).…”

Section: Atrator Da Dinâmicaunclassified

“…De qualquer maneira, o desafio de encontrar um mecanismo que não requeira nenhum tipo de ajuste ainda não foi superado. Conjecturamos que isto é impossível: a necessidade de h * ≈ 0 irá impor condições estritas similares a A ≈ 1 sobre qualquer modelo homeostático (Girardi-Schappo et al, 2021;Menesse et al, 2022). No entanto, talvez a combinação de mecanismos homeostáticos que atuem sobre a estrutura da rede, reconfigurando conexões, em combinação com mecanismo homeostáticos como os presentados aqui, permitam encontrar novas estratégias para auto-organização na quase-criticalidade.…”

Section: Sobre Quase-criticalidade Auto-organizada Via Mecanismos Hom...unclassified

“…Simulação do modelo E/I em rede aleatória K-regular com N = 10000, J = 2, Γ = 1, θ = I = 0 e µ = 0. Curva sólida mostra resultado analítico para grafo completo com função de disparo racional, procedimento similar(Girardi-Schappo et al, 2021). Vemos que para valores de K ≪ N, por exemplo K = 5, o valor estacionário de ρ é independente de g quando g > 1, como predito nos resultados analíticos.…”

unclassified

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Criticalidade homeostática em um modelo de redes neuronais

Menesse¹

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A hipótese do cérebro crítico postula que as redes neuronais operariam em um regime de atividade crítica, pois nela, o sistema otimizaria a transmissão, armazenamento e processamento de informação, a faixa dinâmica, entre outros. A hipótese vem ganhando força ao longo dos anos graças à acumulação de evidência experimental. Foi proposto que a criticalidade autoorganizada (SOC) seria o mecanismo pelo qual estas redes alcançariam o regime crítico sem necessidade de um ajuste externo dos parâmetros da rede. No entanto, esta proposta apresenta problemas. Primeiro, nos diferentes modelos, a criticalidade existe somente no limite de estímulos externos nulos. Segundo, para sistemas dissipativos, como é o caso das redes neuronais biológicas, não é possível obter SOC, mas somente uma forma fraca chamada de quasecriticalidade auto-organizada (SOqC); processo no qual o sistema oscilaria no entorno do ponto crítico. O segundo problema não afeta a hipótese, pois na concepção atual da mesma, é esperado que as redes neuronais oscilem entre o regime sub-crítico e levemente super-crítico. No entanto, o problema relativo à necessidade de campos externos nulos reduz consideravelmente a plausibilidade da hipótese, pois circuitos neuronais estão submetidos a estímulos provenientes de outras regiões do cérebro e de sistemas sensoriais. Nesta dissertação, estudamos um modelo de neurônios estocásticos integra-dispara com vazamento em redes aleatórias esparsas. Por meio de trabalho analítico e simulações computacionais mostramos que uma solução aos problemas citados pode ser obtida por meio de mecanismos homeostáticos locais (dinâmica de retro-alimentação local) atuando sobre os pesos sinápticos, o ganho neuronal e o limiar de disparo dos neurônios. Os resultados indicam que o mecanismo proposto opera satisfatoriamente sempre e quando exista uma separação entre as escalas de tempo das dinâmicas homeostáticas e seja realizado um ajuste de caráter local em um hiper-parâmetro do sistema homeostático. A inclusão de neurônios inibitórios e plasticidade sináptica inibitórias não afeta o comportamento do modelo homeostático. Observamos também que o sistema homeostático responde com uma faixa dinâmica próxima ao valor ótimo, quando é submetido a variações tipo degrau no estímulo externo, indicando que as vantagens da operação quase-critica são conservadas.Palavras chave: hipótese do cérebro crítico, quase-criticalidade auto-organizada, redes neuronais, homeostase, adaptação

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A general description of criticality in neural network models

Zeng,

Feng,

2024

Heliyon

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A unified theory of E/I synaptic balance, quasicritical neuronal avalanches and asynchronous irregular spiking

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Parabolic avalanche scaling in the synchronization of cortical cell assemblies

Parabolic avalanche scaling in the synchronization of cortical cell assemblies

Criticalidade homeostática em um modelo de redes neuronais

A general description of criticality in neural network models

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