Information propagation in the cortex across the sleep-wake cycle: a computational study

Abstract

During the deep phases of sleep we do not normally wake up by a thunder, but we nevertheless notice it when awake. The exact same sound gets to our ears and cortex through the thalamus and still, it triggers two very different responses. There is growing experimental evidence that these two states of the brain---sleep and wakefulness---distribute sensory information in different ways across the cortex. In particular, during sleep, neural responses remain local and do not spread out across distant synaptically connected regions. On the contrary, during wakefulness, stimuli are able to elicit a wider spatial response. We have used a computational model of coupled cortical columns to study how these two propagation modes arise. Moreover, the transition from sleep-like to wakinglike dynamics occurs in agreement with the synaptic homeostasis hypothesis and only requires upscaling of excitatory synapses. We have found that, in order to reproduce the aforementioned observations, synaptic upscaling has to be selectively applied: synaptic connections between distinct cortical columns have to be upscaled over local ones.

Durant les fases profundes del son normalment no ens despertem amb un tro, però, tanmateix, ho notem quan estem desperts. El mateix so arriba exactament igual a les nostres orelles i còrtex a través del tàlem i, tot i així, desencadena dues respostes molt diferents. Hi ha una creixent evidència experimental que aquests dos estats del cervell---son i vigília--- distribueixen la informació sensorial de diferents maneres a través de l'escorça. En particular, durant el son, les respostes neuronals romanen locals i no s'estenen per regions distants connectades sinàpticament. Per contra, durant la vigília, els estímuls són capaços de provocar una resposta espacial més àmplia. Hem utilitzat un model computacional de columnes corticals acoblades per estudiar com sorgeixen aquests dos modes de propagació. A més, la transició de la dinàmica del son a la de la vigília es produeix d'acord amb la hipòtesi de l'homeòstasi sinàptica i només requereix un reescalament de les sinapsis excitadores. Hem trobat que, per reproduir les observacions esmentades anteriorment, s'ha d’aplicar selectivament el reforç sinàptic: les connexions sinàptiques entre columnes corticals diferents s'han d'augmentar sobre les locals.