Striking a balance global impact of the local regulation of excitatory-inhibitory balance in cortical networks

Abstract

The study of complex systems has unraveled the basic principles underlying the emergence of collective behaviors in networks of interacting units. Following this framework, we suggest that excitatory-inhibitory balance is one of such principles in cortical networks. We start by revealing how balanced excitatory-inhibitory interactions shape empirical functional networks and dynamics, especially at ultra-slow timescales. Then, we demonstrate the potential of excitatory-inhibitory homeostasis as a mechanism of self-organization by studying its role in the re-emergence of functional networks following lesions, reconciling empirical findings on the connectivity and excitability of the post-stroke brain. Finally, we demonstrate how multiple modes of homeostasis cooperate to support the emergence of collective metastable dynamics, maximizing functional complexity in large-scale cortical networks. Altogether, our results show that the benefits of maintaining a balance between excitation and inhibition extravasate the neuronal level, being a key piece in the emergence of collective dynamics in large-scale cortical networks.

L’estudi dels sistemes complexos ha desvelat els principis bàsics subjacents a l’emergència de comportaments col·lectius en xarxes d’unitats que interactuen. Seguint aquests fonaments, en aquesta tesi suggerim que l’equilibri excitatori-inhibitori és un d’aquests principis a les xarxes corticals. Comencem revelant com l’equilibri de interaccions excitatòries-inhibitòries dona forma a les dinàmiques i xarxes funcionals empíriques, especialment a escales de temps ultra lentes. A continuació, demostrem el potencial de l’homeòstasi excitatòria-inhibitòria com a mecanisme d’auto-organització a través de l’estudi del seu paper en la re-emergència de les xarxes funcionals després de lesions, conciliant el coneixement empíric sobre la connectivitat i l’excitabilitat del cervell post-ictus. Finalment, demostrem com múltiples modes d’homeòstasi cooperen per donar suport a l’emergència de dinàmiques col·lectives metaestables, maximitzant la complexitat funcional en xarxes corticals. Així, els nostres resultats demostren que els beneficis de mantenir l’equilibri entre excitació i inhibició extravasen el nivell neuronal, sent una pec¸a clau en l’emergència de dinàmiques col·lectives en xarxes corticals de llarga escala.