Synaptic balance due to homeostatically self-organized quasicritical dynamics

Autor(es)

Girardi-Schappo, Mauricio ^[1] ; Brochini, Ludmila ^[2] ; Costa, Ariadne A. ^[3] ; Carvalho, Tawan T. A. ^[4] ; Kinouchi, Osame ^[1]

Afiliação do(s) autor(es)

^[1] Univ Sao Paulo, Dept Fis, FFCLRP, BR-14040901 Ribeirao Preto, SP - Brazil

^[2] Univ Sao Paulo, Inst Matemat & Estat, BR-05508090 Sao Paulo, SP - Brazil

^[3] Univ Fed Goias Reg Jatai, Unidade Acad Especial Ciencias Exatas, BR-75801615 Jatai, Go - Brazil

^[4] Univ Fed Pernambuco, Dept Fis, BR-50670901 Recife, PE - Brazil

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: PHYSICAL REVIEW RESEARCH; v. 2, n. 1 FEB 20 2020.
• Citações Web of Science: 4

Resumo

Recent experiments suggested that a homeostatic regulation of synaptic balance leads the visual system to recover and maintain a regime of power-law avalanches. Here we study an excitatory/inhibitory (E/I) mean-field neuronal network that has a critical point with power-law avalanches and synaptic balance. When short-term depression in inhibitory synapses and firing threshold adaptation are added, the system hovers around the critical point. This homeostatically self-organized quasicritical (SOqC) dynamics generates E/I synaptic current cancellation in fast timescales, causing fluctuation-driven asynchronous-irregular (AI) firing. We present the full phase diagram of the model without adaptation varying external input versus synaptic coupling. This system has a rich dynamical repertoire of spiking patterns: synchronous regular (SR), asynchronous regular (AR), synchronous irregular (SI), slow oscillations (SO), and AI. It also presents dynamic balance of synaptic currents, since inhibitory currents try and compensate excitatory currents over time, resulting in both of them scaling linearly with external input. Our model thus unifies two different perspectives on cortical spontaneous activity: both critical avalanches and fluctuation-driven AI firing arise from SOqC homeostatic adaptation and are indeed two sides of the same coin. (AU)

• Processo FAPESP: 16/24676-1 - Árvores de contexto aplicadas à modelagem estatística de trens de disparo neuronais
• Beneficiário: Ludmila Brochini Rodrigues
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 13/07699-0 - Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão em Neuromatemática - NeuroMat
• Beneficiário: Oswaldo Baffa Filho
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs
• Processo FAPESP: 19/12746-3 - Transições de fase em neurociências
• Beneficiário: Osame Kinouchi Filho
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Pesquisa
• Processo FAPESP: 16/00430-3 - Simulações computacionais de redes balanceadas com neurônios Integra-Dispara estocásticos
• Beneficiário: Ariadne de Andrade Costa
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 18/09150-9 - Modelagem estocástica e/ou computacional do funcionamento do cérebro
• Beneficiário: Mauricio Girardi Schappo
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 16/20945-8 - Impacto da Topologia de Conexões na Dinâmica de Redes de Neurônios Integra-Dispara Estocásticos
• Beneficiário: Ariadne de Andrade Costa
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado