Latent neural population dynamics underlying breathing, opioid-induced respiratory depression and gasping

神经科学 呼吸 人口 呼吸中枢 神经活动 电生理学 生物 呼吸系统 医学 解剖 环境卫生
作者
Nicholas E Bush,Jan‐Marino Ramirez
出处
期刊:Nature Neuroscience [Springer Nature]
标识
DOI:10.1038/s41593-023-01520-3
摘要

Abstract Breathing is vital and must be concurrently robust and flexible. This rhythmic behavior is generated and maintained within a rostrocaudally aligned set of medullary nuclei called the ventral respiratory column (VRC). The rhythmic properties of individual VRC nuclei are well known, yet technical challenges have limited the interrogation of the entire VRC population simultaneously. Here we characterize over 15,000 medullary units using high-density electrophysiology, opto-tagging and histological reconstruction. Population dynamics analysis reveals consistent rotational trajectories through a low-dimensional neural manifold. These rotations are robust and maintained even during opioid-induced respiratory depression. During severe hypoxia-induced gasping, the low-dimensional dynamics of the VRC reconfigure from rotational to all-or-none, ballistic efforts. Thus, latent dynamics provide a unifying lens onto the activities of large, heterogeneous populations of neurons involved in the simple, yet vital, behavior of breathing, and well describe how these populations respond to a variety of perturbations.
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