51、大规模突触输入与背景活动的影响解析

大规模突触输入与背景活动的影响解析

1. 大规模突触输入概述

当一个神经元同时受到上百个突触激活时，会对体细胞电位、电流以及细胞的放电频率产生影响。由于突触诱导的电导变化与膜电位之间存在非线性关系，要全面回答这些影响并不容易。下面我们将从突触输入与输出抖动的关系以及电缆理论两个方面来详细探讨。

2. 突触输入与输出抖动的关系

• 神经元对刺激的响应 ：当皮层神经元接收到适当刺激时，其放电概率会迅速且可靠地增加。单个皮层神经元对动态随机点运动刺激的放电率具有高度可重复的时间调制，精确到几毫秒。例如，在清醒猴子的实验中，初级视觉皮层的神经元对视觉刺激的平均 10 - 90% 上升时间为 8 毫秒，而后续处理阶段的 V4 区神经元上升时间为 7 毫秒，但有额外的 26 毫秒延迟。
• 输入抖动与输出抖动的计算
  • 假设一个瞬时感官事件触发了 η 个兴奋性突触输入的活动，输入到达时间以 t = 0 为中心，其时间标准偏差（输入抖动）为 σ ₘ。若这些突触足以触发一个或多个尖峰（η > nₜₕ），则可计算出响应输入触发的尖峰时间标准偏差（输出抖动）σ ₒₘ。
  • 为简化问题，假设突触输入的概率密度 pₘ(t) 在区间 [0, 1] 上为均匀密度，每个输入仅触发一个突触后强度为 αₑ 的单个突触事件。这些输入集成到一个无泄漏积分 - 放电单元的电容上，在 t = 1 时，电压将恰好为 nαₑ（无阈值情况下）。
  • 时间 t 时电压达到 ηₜₕαₑ 的概率由贝塔密度给出，其标准偏差表明输出抖动与兴奋性突触输入数量成反比。
• 模拟验证及影响因素
  • 使用泄漏积分 - 放电模型和第 5 层锥体细胞的隔室模型进行的详细模拟表明，在大量兴奋性输入（n = 250，nₜₕ = 66）且输入到达时间呈高斯分布时，σ ₘ 和 σ ₒₘ 呈线性关系，斜率约为 0.116。
  • 添加抑制性突触输入会增加该斜率，但幅度不大。过多抑制会使细胞在更多试验中无法达到阈值。
  • 在大规模突触输入情况下，时间输出抖动将小于输入抖动。对于一连串的放电细胞，输出抖动会收敛到一个固定但较小的数值，不过在实际网络中，由于存在布线抖动（神经元层间轴突传播时间不均匀）和突触抖动（突触前尖峰与突触后通道开放之间的延迟抖动），抖动不太可能变为零。

以下是输入抖动与输出抖动关系的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[瞬时感官事件] --> B[触发 η 个兴奋性突触输入]
    B --> C{输入到达时间分布}
    C -->|高斯分布| D[计算输入抖动 σₘ]
    D --> E{η > nₜₕ?}
    E -->|是| F[计算输出抖动 σₒₘ]
    F --> G[模拟验证关系]
    G --> H{添加抑制性输入?}
    H -->|是| I[增加斜率]
    H -->|否| J[输出抖动 < 输入抖动]

3. 大规模突触输入的电缆理论

• 传统电缆理论假设 ：标准的一维被动电缆理论假设细胞的电紧张结构不会因突触输入而改变，只要将突触输入视为去极化或超极化电流，这种假设就是成立的。这种独立性使我们能够用传输和输入阻抗以及空间和时间常数来描述电缆或细胞的时空整合特性。
• 突触输入对电紧张结构的影响
  • 实际上，单个突触的活动也会对输入阻抗产生影响。例如，一个半径 r = 15 μm 的小球形细胞，输入电导 Gₘ = 4πr² / Rₘ 仅为 0.28 nS，时间常数为 100 毫秒（Rₘ = 100,000 Ω - cm²）。激活一个峰值电导 gₚₑₐₖ = 0.5 nS 的单个突触会立即将有效输入电导增加两倍，并将时间常数减小到原来的三分之一。
  • 突触输入对细胞电紧张结构的影响程度取决于 Rₘ 与突触诱导电导变化倒数的相对大小。对于低 Rₘ 值，需要更多突触输入才能使突触电导主导细胞被动膜的电导。
• 简化处理与有效参数
  • 为研究大规模突触输入对细胞的影响，假设不同突触的输入相互独立，用瞬时速率 fᵢ 代替一系列突触前尖峰，并通过“合适”的时间平均程序将来自 η 个独立突触的总突触输入简化为一个单一数字。
  • 可以用一个单一的“有效”电导和一个单一的有效电池来替代每个隔室中的不同类型突触以及泄漏电导。随着突触前放电频率 fᵢ 的增加，突触后膜电导也会增加，只有综合反转电位 Eₑff 受突触电池的符号和幅度影响。

以下是突触输入对电紧张结构影响的表格：
| 细胞参数 | 初始值 | 激活单个突触后的值 |
| ---- | ---- | ---- |
| 输入电导 Gₘ | 0.28 nS | 约 0.84 nS |
| 时间常数 τ | 100 毫秒 | 约 33.3 毫秒 |

4. 突触背景活动的影响

• 背景活动的来源与表现
  • 神经元并非孤立存在，而是嵌入在紧密交织的神经细胞网络中。典型的新皮质锥体细胞可接收 5000 - 20,000 个突触输入，小脑的浦肯野细胞可接收多达 200,000 个突触输入。
  • 在轻度麻醉和清醒行为的动物中，这些细胞会“自发”活动，产生的动作电位无法用简单的感官刺激解释。其自发活动的来源可能包括感官周边的残余自发活动、通道波动引起的自发放电以及无显著突触前活动时的突触小泡自发释放。
  • 实验记录的皮层自发放电率范围从麻醉猫视觉皮层的 0.25 - 2.5 次/秒到猫运动皮层、大鼠感觉运动皮层等区域的 5 - 10 Hz，与脑切片或培养神经元的情况形成鲜明对比。
• 背景活动对神经元的影响
  • 输入电阻
    • 有限电缆的输入电阻由公式 (R_{in}=\frac{R_m}{\lambda}\tanh(\lambda L)) 给出（L 为电缆的电紧张长度）。在背景活动极高的极限情况下，Rₘ 随 (fₓ)⁻¹/² 减小。
    • 以锥体细胞的隔室模型为例，当背景活动频率 (fₓ) 从 0 增加到 2 Hz 时，被动情况下输入电阻从 193 ΜΩ 降至 20 ΜΩ，主动情况下从 50 ΜΩ 降至 12 ΜΩ。在存在电压依赖性 NMDA 输入时，输入电阻与背景放电率的关系会更复杂，在某些条件下，输入电阻可能随背景放电率增加而增加。
  • 时间常数
    • 被动时间常数与 (fₓ) 的关系由公式描述，随着 (fₓ) 趋于无穷大，τ ₘ 以 1 / (fₓ) 的速度趋于零。
    • 在隔室模型中，被动情况下体细胞时间常数从 100 毫秒降至 12.8 毫秒，主动情况下从 33.7 毫秒降至 5.9 毫秒。这表明随着 (fₓ) 增加，锥体细胞对突触输入的时间分散程度更加敏感。例如，当 (fₓ) = 7 Hz 时，同步输入和非同步输入触发细胞放电所需的突触数量差异显著增大，平均背景活动可视为控制细胞时间调谐特性的信号。

以下是背景活动对神经元参数影响的列表：
- 输入电阻：随背景活动增加而降低，在某些特殊情况下可能增加。
- 时间常数：随背景活动增加而减小，使细胞对输入时间分散更敏感。
- 电紧张长度：随背景活动增加而增大。
- 静息电位：受背景活动影响，但未详细阐述具体变化规律。

综上所述，大规模突触输入和突触背景活动对神经元的电生理特性有着重要影响，深入研究这些影响有助于我们更好地理解神经系统的信息处理机制。

大规模突触输入与背景活动的影响解析（续）

5. 背景活动对输入电阻的详细分析

• 不同模型下的变化趋势
  • 前面提到，在有限电缆模型中，输入电阻 (R_{in}=\frac{R_m}{\lambda}\tanh(\lambda L))，当背景活动无限高，即 ((f_b) \to \infty) 时，(R_m) 以 ((f_b)^{-\frac{1}{2}}) 的形式减小。这是因为额外的突触输入，无论兴奋性还是抑制性，都会增加膜电导，从而降低有效膜电阻 (R_{eff})。
  • 以锥体神经元为例，有“主动”和“被动”两种模型。“主动”模型包含标准的电压依赖性体细胞膜电导，“被动”模型则去除了这些主动电导。当 ((f_b)) 从 0 增加到 2 Hz 时，被动模型的输入电阻从 193 ΜΩ 降至 20 ΜΩ，下降了 10 倍；主动模型从 50 ΜΩ 降至 12 ΜΩ，下降了 4 倍。三种模型（有限电缆、主动锥体模型、被动锥体模型）在输入电阻随背景活动变化方面具有相似特征。
• 电压依赖性 NMDA 输入的影响
  • 当存在电压依赖性 NMDA 输入时，情况变得复杂。NMDA 电导会使膜的斜率电导降低，在某些条件下，随着背景放电率 ((f_b)) 增加，输入电阻实际上可能会增加。这是因为 NMDA 通道的开放特性与膜电位和配体结合有关，其电导变化会对整体膜电阻产生独特的影响。

以下是不同模型下输入电阻随背景活动变化的表格：
| 模型类型 | 初始 ((f_b) = 0) 时 (R_{in}) | ((f_b) = 2Hz) 时 (R_{in}) | 变化倍数 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 有限电缆（近似被动） | 193 ΜΩ | 20 ΜΩ | 约 10 倍 |
| 主动锥体模型 | 50 ΜΩ | 12 ΜΩ | 约 4 倍 |
| 被动锥体模型 | 193 ΜΩ | 20 ΜΩ | 约 10 倍 |

6. 背景活动对时间常数的深入探讨

• 时间常数的理论变化
  • 根据公式，被动时间常数与 ((f_b)) 相关，当 ((f_b) \to \infty) 时，(\tau_m) 以 (\frac{1}{(f_b)}) 的速度趋于零。这是因为背景活动增加会使膜电导增大，导致时间常数减小。
• 对突触输入时间分散的敏感性
  • 在锥体神经元的隔室模型中，被动情况下体细胞时间常数从 100 毫秒降至 12.8 毫秒，主动情况下从 33.7 毫秒降至 5.9 毫秒。这种减小使得锥体神经元对突触输入的时间分散程度更加敏感。
  • 以触发细胞放电所需的突触数量为例，当背景活动较低时，同步输入和非同步输入所需突触数量差异较小；当 ((f_b) = 7Hz) 时，同步输入需要的突触数量与非同步输入需要的突触数量差异显著增大。这表明平均背景活动可以作为控制细胞时间调谐特性的重要信号。

以下是时间常数随背景活动变化的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[背景活动 (f_b) 增加] --> B[膜电导增大]
    B --> C[时间常数 τ_m 减小]
    C --> D[细胞对输入时间分散更敏感]
    D --> E[同步与非同步输入触发放电所需突触数量差异增大]

7. 背景活动对其他参数的影响

• 电紧张长度
  • 随着背景活动 ((f_b)) 增加，电紧张长度 (L = \frac{l}{\lambda}) 会增大。这是因为背景活动改变了膜的电导特性，进而影响了电紧张传播的特性。电紧张长度的增大意味着信号在细胞内传播的衰减特性发生变化，对神经元的空间整合能力产生影响。
• 静息电位
  • 虽然文中未详细阐述背景活动对静息电位的具体变化规律，但可以推测，背景活动通过改变膜电导和离子流动，必然会对静息电位产生一定的影响。例如，大量的兴奋性或抑制性突触输入可能会使静息电位发生去极化或超极化的改变。

8. 总结与展望

大规模突触输入和突触背景活动对神经元的电生理特性有着多方面的重要影响。从突触输入与输出抖动的关系来看，大规模突触输入可以减小时间输出抖动，提高信号的时间精度，但实际网络中存在的布线抖动和突触抖动会限制抖动的减小程度。在电缆理论方面，突触输入会改变细胞的电紧张结构，尤其是在高背景活动下，这种影响更为显著。
背景活动对神经元的输入电阻、时间常数、电紧张长度和静息电位等参数都有重要影响。输入电阻随背景活动增加而降低，在某些特殊情况下可能增加；时间常数减小使细胞对输入时间分散更敏感；电紧张长度增大影响信号传播特性；静息电位也会受到背景活动的间接影响。

深入研究这些影响有助于我们更全面地理解神经系统的信息处理机制。未来的研究可以进一步探讨如何利用这些特性来调控神经元的活动，例如通过调节背景活动来优化神经元对特定信号的响应，或者开发新的神经调控技术来治疗神经系统相关疾病。

以下是大规模突触输入和背景活动影响的总结表格：
| 影响因素 | 对神经元参数的影响 |
| ---- | ---- |
| 大规模突触输入 | 减小输出抖动，改变电紧张结构 |
| 突触背景活动 | 降低输入电阻（特殊情况除外），减小时间常数，增大电紧张长度，影响静息电位 |

通过对这些内容的研究和总结，我们能够更好地把握神经系统中神经元的工作原理，为进一步探索神经系统的奥秘奠定基础。