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Cortical cell assemblies and their underlying connectivity: An in silico study

Résumé

Recent developments in experimental techniques have enabled simultaneous recordings from thousands of neurons, enabling the study of functional cell assemblies. However, determining the patterns of synaptic connectivity giving rise to these assemblies remains challenging. To address this, we developed a complementary, simulation-based approach, using a detailed, large-scale cortical network model. Using a combination of established methods we detected functional cell assemblies from the stimulus-evoked spiking activity of 186,665 neurons. We studied how the structure of synaptic connectivity underlies assembly composition, quantifying the effects of thalamic innervation, recurrent connectivity, and the spatial arrangement of synapses on dendrites. We determined that these features reduce up to 30%, 22%, and 10% of the uncertainty of a neuron belonging to an assembly. The detected assemblies were activated in a stimulus-specific sequence and were grouped based on their position in the sequence. We found that the different groups were affected to different degrees by the structural features we considered. Additionally, connectivity was more predictive of assembly membership if its direction aligned with the temporal order of assembly activation, if it originated from strongly interconnected populations, and if synapses clustered on dendritic branches. In summary, reversing Hebb's postulate, we showed how cells that are wired together, fire together, quantifying how connectivity patterns interact to shape the emergence of assemblies. This includes a qualitative aspect of connectivity: not just the amount, but also the local structure matters; from the subcellular level in the form of dendritic clustering to the presence of specific network motifs.

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thumb|Le système nerveux humain. Le système nerveux (ou système neuronal) est un système biologique animal responsable de la coordination des actions avec l'environnement extérieur et de la communication rapide entre les différentes parties du corps. Les êtres vivants dotés d'un système nerveux sont nommés eumétazoaires. Il exerce un contrôle sur l'ensemble du corps qui se traduit par des actes volontaires ou involontaires, et des sensations qui sont conscientes ou inconscientes.
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vignette|390x390px|Fig. 1. Dendrites, soma et axone myélinisé, avec un flux de signal des entrées aux dendrites aux sorties aux bornes des axones. Le signal est une courte impulsion électrique appelée potentiel d'action ou impulsion. vignette|Figure 2. Évolution du potentiel postsynaptique lors d'une impulsion. L'amplitude et la forme exacte de la tension peut varier selon la technique expérimentale utilisée pour acquérir le signal.
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