ガンマ振動と非同期状態を発現するスパイクニューロンのネットワークにおける統合、一致の検出、および共鳴

ガンマ振動は、覚醒と眠っている大脳皮質で広く見られますが、これらの振動の正確な役割はまだ議論されています。ここでは、生物物理学的モデルを使用して、ガンマ振動が求心性刺激の処理にどのように関与するかを調べました。大脳皮質に見られるさまざまな細胞タイプに基づいて、ガンマ振動のコンダクタンスベースのネットワークモデルを構築しました。モデルは、ガンマ振動が常に非同期発火モードと共存する人間の細胞外単位記録に調整されました。ガンマを生成するために3つの異なるメカニズムを検討しました。まず、錐体ニューロンと介在ニューロン（Ping）の相互作用に基づいたメカニズム、2番目にガンマが介在ニューロンネットワーク（ing）によって生成されるメカニズム、3番目は、生成されたガンマ振動に依存するメカニズムです。ペースメーカーチャタリングニューロン（チン）。3つのメカニズムはすべて、人間の記録と一致する特徴を生成しますが、INGメカニズムは、人間のデータに見られるガンマバースト内の発火率の変化と最も一致していることがわかります。次に、これらのネットワークの応答性と共鳴特性を評価し、ガンマ振動と非同期モードと対照的です。ゆっくりと変化する刺激と正確にタイミングされた刺激の両方で、非同期状態と比較してガンマ中は応答性が一般的に低く、共鳴特性はガンマバンドの周りで類似していることがわかります。ガンマ振動がより反応する条件を見つけることができませんでした。したがって、非同期状態は外部刺激に対する最高の応答性を提供し、ガンマ振動は全体的に応答性が低下する傾向があると予測します。

Gamma oscillations are widely seen in the awake and sleeping cerebral cortex, but the exact role of these oscillations is still debated. Here, we used biophysical models to examine how Gamma oscillations may participate to the processing of afferent stimuli. We constructed conductance-based network models of Gamma oscillations, based on different cell types found in cerebral cortex. The models were adjusted to extracellular unit recordings in humans, where Gamma oscillations always coexist with the asynchronous firing mode. We considered three different mechanisms to generate Gamma, first a mechanism based on the interaction between pyramidal neurons and interneurons (PING), second a mechanism in which Gamma is generated by interneuron networks (ING) and third, a mechanism which relies on Gamma oscillations generated by pacemaker chattering neurons (CHING). We find that all three mechanisms generate features consistent with human recordings, but that the ING mechanism is most consistent with the firing rate change inside Gamma bursts seen in the human data. We next evaluated the responsiveness and resonant properties of these networks, contrasting Gamma oscillations with the asynchronous mode. We find that for both slowly-varying stimuli and precisely-timed stimuli, the responsiveness is generally lower during Gamma compared to asynchronous states, while resonant properties are similar around the Gamma band. We could not find conditions where Gamma oscillations were more responsive. We therefore predict that asynchronous states provide the highest responsiveness to external stimuli, while Gamma oscillations tend to overall diminish responsiveness.