Published August 17, 2018 | Version v1
Publication Open

Membrane potential resonance in non-oscillatory neurons interacts with synaptic connectivity to produce network oscillations

  • 1. Universidad Nacional del Sur
  • 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 3. New Jersey Institute of Technology
  • 4. Rutgers, The State University of New Jersey

Description

Abstract Several neuron types have been shown to exhibit (subthreshold) membrane potential resonance (MPR), defined as the occurrence of a peak in their voltage amplitude response to oscillatory input currents at a preferred (resonant) frequency. MPR has been investigated both experimentally and theoretically. However, whether MPR is simply an epiphenomenon or it plays a functional role for the generation of neuronal network oscillations and how the latent time scales present in individual, non-oscillatory cells affect the properties of the oscillatory networks in which they are embedded are open questions. We address these issues by investigating a minimal network model consisting of (i) a non-oscillatory linear resonator (band-pass filter) with 2D dynamics, (ii) a passive cell (low-pass filter) with 1D linear dynamics, and (iii) nonlinear graded synaptic connections (excitatory or inhibitory) with instantaneous dynamics. We demonstrate that (i) the network oscillations crucially depend on the presence of MPR in the resonator, (ii) they are amplified by the network connectivity, (iii) they develop relaxation oscillations for high enough levels of mutual inhibition/excitation, and the network frequency monotonically depends on the resonators resonant frequency. We explain these phenomena using a reduced adapted version of the classical phase-plane analysis that helps uncovering the type of effective network nonlinearities that contribute to the generation of network oscillations. Our results have direct implications for network models of firing rate type and other biological oscillatory networks (e.g, biochemical, genetic). Author Summary Biological oscillations are ubiquitous in living systems and underlie fundamental processes in healthy and diseased individuals. Understanding how the intrinsic oscillatory properties of the participating nodes interact with the network connectivity is key for the mechanistic description of biological net-work oscillations. In several cases these intrinsic oscillatory properties are hidden and emerge only in the presence of external oscillatory inputs in the form of preferred amplitude responses to these inputs. This phenomenon is referred to as resonance and may occur in systems that do not exhibit intrinsic oscillations. Resonance has been primarily measured in neuronal systems, but their role in the generation of neuronal network oscillations remains largely an open question. We have identified a minimal network model consisting of a resonator (a node that exhibits resonance, but not intrinsic oscillations), a low-pass filter (no resonance and no intrinsic oscillations) and nonlinear connectivity with no dynamics. This network is able to produce oscillations, even in the absence of intrinsic oscillatory components. These oscillations crucially depend on the presence of the resonator. Moreover, the resonant frequency, a dynamic property of the interaction between the resonator and oscillatory inputs, controls the network frequency in a monotonic fashion. The results of our study have implications for the generation of biological network oscillations in larger neuronal systems and other biological networks.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص تبين أن العديد من أنواع الخلايا العصبية تظهر رنين جهد الغشاء (دون العتبة) (MPR)، والذي يعرف بأنه حدوث ذروة في استجابة سعة الجهد لتيارات الإدخال التذبذبية عند تردد مفضل (رنان). تم التحقيق في MPR تجريبيًا ونظريًا. ومع ذلك، سواء كان MPR مجرد ظاهرة ثانوية أو يلعب دورًا وظيفيًا لتوليد تذبذبات الشبكة العصبية وكيف تؤثر المقاييس الزمنية الكامنة الموجودة في الخلايا الفردية غير التذبذبية على خصائص الشبكات التذبذبية التي يتم تضمينها فيها، فهي أسئلة مفتوحة. نعالج هذه المشكلات من خلال التحقيق في الحد الأدنى من نموذج الشبكة الذي يتكون من (1) مرنان خطي غير ذبذبي (مرشح تمرير نطاقي) مع ديناميكيات ثنائية الأبعاد، (2) خلية سلبية (مرشح تمرير منخفض) مع ديناميكيات خطية أحادية الأبعاد، و (3) وصلات متشابكة متدرجة غير خطية (استثارة أو مثبطة) مع ديناميكيات لحظية. نثبت أن (1) تذبذبات الشبكة تعتمد بشكل حاسم على وجود MPR في المرنان، (2) يتم تضخيمها من خلال اتصال الشبكة، (3) أنها تطور تذبذبات الاسترخاء لمستويات عالية بما فيه الكفاية من التثبيط/الإثارة المتبادلة، ويعتمد تردد الشبكة بشكل رتيب على تردد رنين المرنانات. نفسر هذه الظواهر باستخدام نسخة مخفضة من تحليل مستوى الطور الكلاسيكي الذي يساعد في الكشف عن نوع اللاخطية الشبكية الفعالة التي تساهم في توليد تذبذبات الشبكة. نتائجنا لها آثار مباشرة على نماذج الشبكة من نوع معدل الإطلاق وشبكات التذبذب البيولوجية الأخرى (على سبيل المثال، الكيميائية الحيوية، الوراثية). ملخص المؤلف: التذبذبات البيولوجية موجودة في كل مكان في الأنظمة الحية وترتكز عليها العمليات الأساسية لدى الأفراد الأصحاء والمرضى. يعد فهم كيفية تفاعل خصائص التذبذب الجوهرية للعقد المشاركة مع اتصال الشبكة أمرًا أساسيًا للوصف الميكانيكي للتذبذبات البيولوجية لشبكة العمل. في العديد من الحالات، يتم إخفاء هذه الخصائص التذبذبية الجوهرية ولا تظهر إلا في وجود مدخلات تذبذبية خارجية في شكل استجابات السعة المفضلة لهذه المدخلات. يشار إلى هذه الظاهرة باسم الرنين وقد تحدث في الأنظمة التي لا تظهر تذبذبات جوهرية. تم قياس الرنين في المقام الأول في الأنظمة العصبية، لكن دورها في توليد تذبذبات الشبكة العصبية لا يزال سؤالًا مفتوحًا إلى حد كبير. لقد حددنا نموذج شبكة صغير يتكون من مرنان (عقدة تظهر رنينًا، ولكن ليس تذبذبات جوهرية)، ومرشح تمرير منخفض (لا رنين ولا تذبذبات جوهرية) واتصال غير خطي بدون ديناميكيات. هذه الشبكة قادرة على إنتاج التذبذبات، حتى في غياب مكونات التذبذب الجوهرية. تعتمد هذه التذبذبات بشكل حاسم على وجود المرنان. علاوة على ذلك، يتحكم التردد الرنان، وهو خاصية ديناميكية للتفاعل بين المرنان والمدخلات التذبذبية، في تردد الشبكة بطريقة رتيبة. نتائج دراستنا لها آثار على توليد تذبذبات الشبكة البيولوجية في الأنظمة العصبية الأكبر والشبكات البيولوجية الأخرى.

Translated Description (French)

Résumé Il a été démontré que plusieurs types de neurones présentent une résonance de potentiel membranaire (MPR) (sous le seuil), définie comme l'apparition d'un pic dans leur réponse en amplitude de tension aux courants d'entrée oscillatoires à une fréquence (de résonance) préférée. La MPR a été étudiée à la fois expérimentalement et théoriquement. Cependant, la question de savoir si la MPR est simplement un épiphénomène ou si elle joue un rôle fonctionnel dans la génération d'oscillations du réseau neuronal et comment les échelles de temps latentes présentes dans les cellules individuelles non oscillatoires affectent les propriétés des réseaux oscillatoires dans lesquels elles sont intégrées sont des questions ouvertes. Nous abordons ces questions en étudiant un modèle de réseau minimal composé (i) d'un résonateur linéaire non oscillatoire (filtre passe-bande) avec une dynamique 2D, (ii) d'une cellule passive (filtre passe-bas) avec une dynamique linéaire 1D, et (iii) de connexions synaptiques graduées non linéaires (excitatrices ou inhibitrices) avec une dynamique instantanée. Nous démontrons que (i) les oscillations du réseau dépendent de manière cruciale de la présence de MPR dans le résonateur, (ii) elles sont amplifiées par la connectivité du réseau, (iii) elles développent des oscillations de relaxation pour des niveaux suffisamment élevés d'inhibition/excitation mutuelle, et la fréquence du réseau dépend de manière monotone de la fréquence de résonance des résonateurs. Nous expliquons ces phénomènes en utilisant une version adaptée réduite de l'analyse classique du plan de phase qui aide à découvrir le type de non-linéarités de réseau efficaces qui contribuent à la génération d'oscillations de réseau. Nos résultats ont des implications directes pour les modèles de réseau de type de vitesse de tir et d'autres réseaux d'oscillations biologiques (par exemple, biochimiques, génétiques). Résumé de l'auteur Les oscillations biologiques sont omniprésentes dans les systèmes vivants et sous-tendent les processus fondamentaux chez les individus sains et malades. Comprendre comment les propriétés oscillatoires intrinsèques des nœuds participants interagissent avec la connectivité réseau est essentiel pour la description mécaniste des oscillations biologiques du travail en réseau. Dans plusieurs cas, ces propriétés oscillatoires intrinsèques sont cachées et n'émergent qu'en présence d'entrées oscillatoires externes sous la forme de réponses d'amplitude préférées à ces entrées. Ce phénomène est appelé résonance et peut se produire dans des systèmes qui ne présentent pas d'oscillations intrinsèques. La résonance a été principalement mesurée dans les systèmes neuronaux, mais leur rôle dans la génération des oscillations du réseau neuronal reste largement une question ouverte. Nous avons identifié un modèle de réseau minimal composé d'un résonateur (un nœud qui présente une résonance, mais pas d'oscillations intrinsèques), d'un filtre passe-bas (pas de résonance et pas d'oscillations intrinsèques) et d'une connectivité non linéaire sans dynamique. Ce réseau est capable de produire des oscillations, même en l'absence de composantes oscillatoires intrinsèques. Ces oscillations dépendent de manière cruciale de la présence du résonateur. De plus, la fréquence de résonance, une propriété dynamique de l'interaction entre le résonateur et les entrées oscillatoires, contrôle la fréquence du réseau de manière monotone. Les résultats de notre étude ont des implications pour la génération d'oscillations de réseaux biologiques dans des systèmes neuronaux plus grands et d'autres réseaux biologiques.

Translated Description (Spanish)

Resumen Se ha demostrado que varios tipos de neuronas exhiben (subumbral) resonancia de potencial de membrana (MPR), definida como la aparición de un pico en su respuesta de amplitud de voltaje a corrientes de entrada oscilatorias a una frecuencia preferida (resonante). La MPR se ha investigado tanto experimental como teóricamente. Sin embargo, si la MPR es simplemente un epifenómeno o desempeña un papel funcional para la generación de oscilaciones de la red neuronal y cómo las escalas de tiempo latentes presentes en las células individuales no oscilatorias afectan las propiedades de las redes oscilatorias en las que están incrustadas son cuestiones abiertas. Abordamos estos problemas investigando un modelo de red mínimo que consiste en (i) un resonador lineal no oscilatorio (filtro de paso de banda) con dinámica 2D, (ii) una celda pasiva (filtro de paso bajo) con dinámica lineal 1D y (iii) conexiones sinápticas graduadas no lineales (excitatorias o inhibitorias) con dinámica instantánea. Demostramos que (i) las oscilaciones de la red dependen de manera crucial de la presencia de MPR en el resonador, (ii) son amplificadas por la conectividad de la red, (iii) desarrollan oscilaciones de relajación para niveles suficientemente altos de inhibición/excitación mutua, y la frecuencia de la red depende monótonamente de la frecuencia de resonancia de los resonadores. Explicamos estos fenómenos utilizando una versión adaptada reducida del análisis clásico de plano de fase que ayuda a descubrir el tipo de no linealidades de red efectivas que contribuyen a la generación de oscilaciones de red. Nuestros resultados tienen implicaciones directas para los modelos de red del tipo de tasa de disparo y otras redes oscilatorias biológicas (por ejemplo, bioquímicas, genéticas). Resumen del autor Las oscilaciones biológicas son omnipresentes en los sistemas vivos y subyacen a los procesos fundamentales en individuos sanos y enfermos. Comprender cómo las propiedades oscilatorias intrínsecas de los nodos participantes interactúan con la conectividad de la red es clave para la descripción mecanicista de las oscilaciones biológicas de red. En varios casos, estas propiedades oscilatorias intrínsecas están ocultas y surgen solo en presencia de entradas oscilatorias externas en forma de respuestas de amplitud preferidas a estas entradas. Este fenómeno se conoce como resonancia y puede ocurrir en sistemas que no exhiben oscilaciones intrínsecas. La resonancia se ha medido principalmente en los sistemas neuronales, pero su papel en la generación de oscilaciones de la red neuronal sigue siendo en gran medida una pregunta abierta. Hemos identificado un modelo de red mínimo que consiste en un resonador (un nodo que exhibe resonancia, pero no oscilaciones intrínsecas), un filtro de paso bajo (sin resonancia y sin oscilaciones intrínsecas) y conectividad no lineal sin dinámica. Esta red es capaz de producir oscilaciones, incluso en ausencia de componentes oscilatorios intrínsecos. Estas oscilaciones dependen fundamentalmente de la presencia del resonador. Además, la frecuencia de resonancia, una propiedad dinámica de la interacción entre el resonador y las entradas oscilatorias, controla la frecuencia de la red de forma monótona. Los resultados de nuestro estudio tienen implicaciones para la generación de oscilaciones de redes biológicas en sistemas neuronales más grandes y otras redes biológicas.

Files

394650.full.pdf.pdf

Files (3.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:718708bbbccd442911fd060461526164
3.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يتفاعل الرنين المحتمل للغشاء في الخلايا العصبية غير التذبذبية مع الاتصال المشبكي لإنتاج تذبذبات الشبكة
Translated title (French)
La résonance du potentiel membranaire dans les neurones non oscillatoires interagit avec la connectivité synaptique pour produire des oscillations de réseau
Translated title (Spanish)
La resonancia potencial de membrana en neuronas no oscilatorias interactúa con la conectividad sináptica para producir oscilaciones de red

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2885072274
DOI
10.1101/394650

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1185063720
  • https://openalex.org/W1480219974
  • https://openalex.org/W1525542820
  • https://openalex.org/W1548653509
  • https://openalex.org/W1576838367
  • https://openalex.org/W1597876830
  • https://openalex.org/W1966422754
  • https://openalex.org/W1970510328
  • https://openalex.org/W1977181457
  • https://openalex.org/W1985940938
  • https://openalex.org/W1991074008
  • https://openalex.org/W1995366703
  • https://openalex.org/W2002602970
  • https://openalex.org/W2011819349
  • https://openalex.org/W2016354087
  • https://openalex.org/W2017855292
  • https://openalex.org/W2020634817
  • https://openalex.org/W2023925279
  • https://openalex.org/W2024275179
  • https://openalex.org/W2029899509
  • https://openalex.org/W2030253159
  • https://openalex.org/W2043325561
  • https://openalex.org/W2046424015
  • https://openalex.org/W2047863847
  • https://openalex.org/W2056833737
  • https://openalex.org/W2058237783
  • https://openalex.org/W2060245582
  • https://openalex.org/W2061135970
  • https://openalex.org/W2062029765
  • https://openalex.org/W2062633392
  • https://openalex.org/W2074288047
  • https://openalex.org/W2074911271
  • https://openalex.org/W2078401986
  • https://openalex.org/W2081239176
  • https://openalex.org/W2081696580
  • https://openalex.org/W2084355543
  • https://openalex.org/W2084913706
  • https://openalex.org/W2088358935
  • https://openalex.org/W2088576296
  • https://openalex.org/W2089876099
  • https://openalex.org/W2091883322
  • https://openalex.org/W2094328578
  • https://openalex.org/W2104892692
  • https://openalex.org/W2108184772
  • https://openalex.org/W2108876863
  • https://openalex.org/W2112666468
  • https://openalex.org/W2114173152
  • https://openalex.org/W2120284757
  • https://openalex.org/W2126007099
  • https://openalex.org/W2126211141
  • https://openalex.org/W2127568004
  • https://openalex.org/W2131720818
  • https://openalex.org/W2134072465
  • https://openalex.org/W2139902621
  • https://openalex.org/W2145180114
  • https://openalex.org/W2145592553
  • https://openalex.org/W2146619218
  • https://openalex.org/W2152982331
  • https://openalex.org/W2156075637
  • https://openalex.org/W2159723961
  • https://openalex.org/W2162445001
  • https://openalex.org/W2343821877
  • https://openalex.org/W2475271757
  • https://openalex.org/W2475765891
  • https://openalex.org/W2516266077
  • https://openalex.org/W2551432261
  • https://openalex.org/W2558216909
  • https://openalex.org/W2605700843
  • https://openalex.org/W2756062428
  • https://openalex.org/W2950487668
  • https://openalex.org/W2951566043
  • https://openalex.org/W2953244756
  • https://openalex.org/W316919195