通过短期突触抑制实现平衡皮质网络中异步与同步活动的交织机制及其在群体事件产生中的作用

本研究针对皮质网络在异步状态与短暂同步活动间切换的机制难题，结合体外小鼠听觉皮层切片实验与计算建模，揭示了兴奋性突触短期抑制（STD）在E→I和E→E通路中的差异性调控作用：E→I突触抑制触发群体事件，E→E突触抑制则塑造事件内节律性。该研究统一了平衡网络与抑制稳定理论，为皮质非线性群体相关性提供了机制框架。

　　

大脑皮质群体活动通常处于广泛的异步状态，但会偶尔被短暂的同步化群体事件打断。这种动态转换的机制一直是神经科学的核心问题。抑制稳定网络（ISN）虽能解释低活动异步态，却无法产生群体事件；而突触抑制稳定网络（DSN）虽能创建活动瞬爆，却忽视了抑制的关键作用。本研究通过分析自发活跃的小鼠听觉皮层体外切片，发现两类群体事件：无节律性简单峰和具有2-12Hz低频振荡的节律性事件，并提出统一理论框架。

研究团队结合放电率模型和生物物理真实的尖峰神经元模型，构建了兴奋（E）与抑制（I）群体递归耦合的平衡网络，其中所有兴奋性突触均经历短期抑制（STD）。关键突破在于：E→I突触的抑制在较低兴奋频率下被招募（阈值θ_IE较低），启动群体事件；而E→E突触的抑制在较高频率下被招募（阈值θ_EE较高），塑造事件内的节律性。这种差异得到电生理实验支持：听觉皮层中E→I突触确实比E→E突触更易抑制。

研究人员采用多种技术方法：利用高钾、低镁/钙溶液维持体外切片自发活动，全细胞电压钳记录兴奋/抑制电流，双细胞膜电位同时钳制于抑制（-80mV）或兴奋（0mV）反转电位以分离电流；构建有限尺寸Markov过程模拟随机群体动态；分岔分析降低维动力学系统；基于整合发放神经元的大规模网络模拟，引入生物真实的短期可塑性（STP）模型，其中突触强度J_ij(t)=J?_ij·D(t)·F(t)，D(t)和F(t)分别表示抑制和易化因子，按脉冲更新并指数恢复；外部刺激特定兴奋神经元以诱发事件。

研究结果揭示：

群体事件启动机制：通过简化模型（固定p_EE=1）显示，θ_IE调节系统双稳性。适中θ_IE下，低活动态与鞍点邻近， fluctuations可触发向高活动态转变，启动事件。

群体事件节律性机制：另一简化模型（固定p_IE≈0.11）表明，降低θ_EE可通过超临界Hopf分岔产生稳定极限环，导致4-8Hz振荡，模拟实验观察到的节律事件。

完整模型动力学：双参分岔图（θ_EE, θ_IE）显示，鞍结线（紫色）划分双稳区，Hopf线（绿色）划分振荡区。有限尺寸涨落引发瞬态振荡事件（图7绿区），完美复现实验中有/无节律事件。

生物真实模型验证：在尖峰神经元网络中，E→E突触同时包含抑制（d_EE=0.24）和易化（f_EE=0.85），而E→I突触仅含抑制（d_IE=0.24, f_IE=0），复现θ_EE>θ_IE。调节f_IE可重现振荡/非振荡事件及输入相关性取消（图10），与体外数据一致。

研究结论强调，通过整合平衡抑制与突触抑制机制，该模型统一解释了皮质异步态与事件态的动态转换。E→I和E→E突触抑制的差异性招募是核心生物物理基础，其异质性可能源于切片间腺苷、去甲肾上腺素等调制或PV/SST中间神经元比例差异。讨论部分指出，该工作扩展了平衡网络理论，使其涵盖非线性群体事件，为理解听觉皮层向前掩蔽、自发振荡等现象提供机制基础，并强调短期可塑性（STP）的靶点特异性是未来实验验证的关键。

论文以《Interleaving asynchronous and synchronous activity in balanced cortical networks with short term synaptic depression》为题发表于《Nature Communications》。