A calcium-based plasticity model for predicting long-term potentiation and depression in the neocortex

长时程增强 神经科学 新皮层 突触可塑性 可塑性 非突触性可塑性 变质塑性 突触后电位 神经可塑性 同突触可塑性 突触标度 生物 突触增强 兴奋性突触后电位 材料科学 受体 抑制性突触后电位 生物化学 复合材料
作者
Giuseppe Chindemi,Marwan Abdellah,Oren Amsalem,Ruth Benavides‐Piccione,Vincent Delattre,Michael Doron,András Ecker,Aurélien T. Jaquier,James King,Pramod Kumbhar,Caitlin Monney,Rodrigo Perin,Christian Rössert,M. Anıl Tuncel,Werner Van Geit,Javier DeFelipe,Michael Graupner,Idan Segev,Henry Markram,Eilif Müller
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:44
标识
DOI:10.1038/s41467-022-30214-w
摘要

Abstract Pyramidal cells (PCs) form the backbone of the layered structure of the neocortex, and plasticity of their synapses is thought to underlie learning in the brain. However, such long-term synaptic changes have been experimentally characterized between only a few types of PCs, posing a significant barrier for studying neocortical learning mechanisms. Here we introduce a model of synaptic plasticity based on data-constrained postsynaptic calcium dynamics, and show in a neocortical microcircuit model that a single parameter set is sufficient to unify the available experimental findings on long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) of PC connections. In particular, we find that the diverse plasticity outcomes across the different PC types can be explained by cell-type-specific synaptic physiology, cell morphology and innervation patterns, without requiring type-specific plasticity. Generalizing the model to in vivo extracellular calcium concentrations, we predict qualitatively different plasticity dynamics from those observed in vitro. This work provides a first comprehensive null model for LTP/LTD between neocortical PC types in vivo, and an open framework for further developing models of cortical synaptic plasticity.

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