皮层丘脑耦合神经质量模型的非线性动力学复现了40 Hz稳态听觉诱发电位的生成机制

《Neural Networks》：Nonlinear Dynamics of a Corticothalamic Coupled Neural Mass Model Reproduce the Mechanism of 40 Hz ASSR Generation

　　

摘要

听觉稳态反应（ASSR）为研究听觉通路上振荡动力学和网络同步提供了有力工具。然而，现有的40 Hz ASSR神经质量模型主要聚焦于皮层微环路或宏观现象学描述，而忽略了由丘脑皮层前馈传递和丘脑网状核（TRN）介导的反馈抑制所形成的闭环调节机制。为解决这一问题，我们构建了一个听觉皮层丘脑神经质量模型（ACT-NMM），在一个延迟耦合的皮层丘脑环路中研究皮层锥体神经元（Pyr）、含副蛋白的中间神经元（PV）、含生长抑素的中间神经元（SST）、丘脑皮层中继神经元（TCR）以及TRN神经元的动态行为。通过复现听觉皮层中观察到的稳态振荡模式，并分析参数依赖的同步、相位锁定和频率锁定，ACT-NMM定量刻画了丘脑皮层交互如何塑造ASSR动力学。结果表明，听觉皮层是40 Hz ASSR的主要发生器，而丘脑主要通过相位对齐和中继调节做出贡献，而非独立产生强烈的ASSR响应。这些发现表明，ACT-NMM捕捉到了ASSR生成的关键动态特征，为将丘脑皮层参数与观察到的听觉振荡联系起来提供了具有生理可解释性的框架。

引言

听觉稳态反应（ASSR）是指由周期性幅度或频率调制听觉刺激诱发的相位锁定神经振荡（Picton, John and Dimitrijevic, 2003），反映了听觉系统对连续节律性输入进行同步的能力。由于其稳健的频率跟随特性，ASSR已成为探测听觉通路上振荡动力学和网络同步的广泛使用的工具（Griskova, Morup and Parnas, 2007）（King and Nelken, 2009）。40 Hz ASSR涉及广泛的听觉通路（Hackett et al., 2011）（Rubio et al., 2009）。近期研究（Zhao, Tang and Chen, 2025）（Peng et al., 2021）（Li et al., 2020）（Roy et al., 2022）（Ibrahim, Murphy and Yudintsev, 2021）表明，不同来源的丘脑输入在塑造皮层听觉诱发电反应中表现出层级化、互补性且高度特异性的功能角色。尽管取得上述进展，我们对40 Hz ASSR底层神经动力学的理解仍然有限。

神经质量模型（NMMs）通过描述神经元群体平均放电率的动态演化来表征神经元集合体的集体行为（Breakspear, 2017）（Wilson and Cowan, 1973）（Liu et al., 2021）。由于ASSR源自跨神经元群体的同步振荡活动，NMMs及相关群体水平计算模型被广泛用于研究听觉系统动力学，为突触机制与宏观电生理响应之间提供了可行的联系。例如，Moran等人（Moran, Kiebel and Stephan, 2007）开发了一个用于频谱电生理响应的NMM，建立了稳态膜动力学的频域描述。Mill等人（Mill, Coath and Wennekers, 2011）利用具有抑制性突触的交互神经元群体复现了听觉皮层中的刺激特异性适应现象。近期研究进一步探讨了局部兴奋-抑制（E-I）交互和中间神经元特异性动力学如何在皮层环路模型中塑造听觉诱发电反应。总体而言，这些研究展示了群体水平动力学模型在解释各种听觉现象方面的效用。然而，现有模型主要聚焦于皮层局部环路、刺激适应或感觉门控机制。闭环丘脑皮层调节对40 Hz ASSR生成的贡献，特别是丘脑网状核（TRN）介导的反馈抑制的作用，仍未得到充分探索。

皮层丘脑系统是一个非线性反馈网络，由兴奋性和抑制性神经元群体交互组成，其动力学受E-I平衡、传递延迟和突触活动的影响。实验证据表明，40 Hz ASSR主要起源于听觉皮层，而丘脑结构在塑造和维持同步振荡中发挥关键作用。Reyes等人（Reyes, Lockwood and Salvi, 2005）利用电流密度重构定位了40 Hz ASSR的皮层发生器。Park等人（Park and Geffen, 2020）开发了一个包含PV和SST中间神经元的皮层微环路模型，展示了它们在听觉诱发电反应中的不同角色；然而，未纳入TRN及其介导的反馈抑制。Du等人（D and Jansen, 2011）进一步研究了丘脑皮层环路并强调了TRN在感觉门控中的重要性，但其模型未区分PV和SST特异性抑制机制，也未考察40 Hz ASSR底层的参数依赖非线性动力学。因此，目前缺乏一个整合丘脑中继传递、TRN介导的反馈抑制以及PV/SST依赖的皮层E-I调节的统一动力学框架。特别是，这些机制如何共同支持稳定的相位锁定40 Hz振荡，以及哪些耦合强度或突触时间常数控制ASSR的出现、维持或抑制，尚不明确。为解决这些问题，我们提出了一个听觉皮层丘脑神经质量模型（ACT-NMM），以研究40 Hz ASSR生成底层的动力学机制。本研究的主要贡献总结如下：

• (1)
  我们将听觉环路构建为非线性动力系统，并复现了皮层丘脑环路的"丘脑中继-皮层放大"机制。该模型有效模拟了皮层ASSR的动力学行为。
• (2)
  将丘脑皮层耦合强度和皮层质量的时间常数作为隐式控制变量，分析ACT-NMM的ASSR相关分岔。结果表明，皮层ASSR仅作为周期性刺激下的稳定动力学行为出现。
• (3)
  通过对ACT-NMM的神经活动动力学分析，我们证明ASSR主要由丘脑进行相位调节，且在符合生理约束的参数条件下，40 Hz的响应最为显著。

通过显式地将ASSR生成与延迟耦合非线性系统的动力学联系起来，本研究为40 Hz ASSR的生成提供了系统水平的解释。我们的结果不仅阐明了ASSR底层的动力学机制，还提供了一个原则性的计算框架，将观察到的神经动力学与神经质量微环路的底层参数联系起来。

各章节摘要

方法

建模基于如下假设：听觉神经网络内的固有40 Hz振荡与听觉刺激中的40 Hz成分进行同步。ACT-NMM从膜电位、突触强度和时间常数等神经生理变量中重构皮层ASSR的固有力学动力学。

结果

由于现有研究尚未量化电生理信号与神经元放电活动之间的联系，本文使用$f{r}_{Pyr}$作为ASSR状态分析的源信号。未考虑神经元放电率与ASSR幅度和功率之间的状态映射关系。

对不同频率啁啾刺激的反应

为验证ACT-NMM对不同频率周期刺激的反应性能，使用20 Hz和30 Hz啁啾刺激进行了对比分析。如图9所示，功率谱分析揭示了20 Hz和30 Hz对应的皮层时间常数有效聚类，20 Hz（${\tau }_{Pyr}=36\text{ms}$，${\tau }_{PV}=15\text{ms}$，${\tau }_{SST}=60\text{ms}$）和30 Hz（${\tau }_{Pyr}=25\text{ms}$，${\tau }_{PV}=10\text{ms}$，${\tau }_{SST}=40\text{ms}$）。在多频率啁啾刺激下，功率谱中会出现对应于刺激频率的峰值，从而验证了

结论

我们提出了ACT-NMM，一个纳入皮层Pyr-PV-SST与丘脑TCR-TRN环路闭环交互的听觉皮层丘脑神经质量模型。通过参数敏感性分析，确定了同时满足经典ASSR现象学特征和现有生理约束的参数组合。通过数值模拟，我们定量展示了ASSR底层的丘脑皮层过程。

CRediT作者贡献声明

Mu Zhu：论文撰写—初稿撰写，可视化，验证，方法学，调查研究，形式化分析，概念设计。Xiaoya Liu：论文撰写—审阅与编辑，可视化，验证，指导。Xinmeng Guo：论文撰写—审阅与编辑，验证，指导，形式化分析。Yilin Zhang：调查研究。Ziliang Cai：论文撰写—审阅与编辑，可视化，调查研究。Shuang Liu：论文撰写—审阅与编辑，验证，指导。Dong Ming：论文撰写—审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Mu Zhu|Xiaoya Liu|Xinmeng Guo|Yilin Zhang|Ziliang Cai|Shuang Liu|Dong Ming