IS
Idan Segev
Author with expertise in Neuronal Oscillations in Cortical Networks
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
30
(67% Open Access)
Cited by:
3,256
h-index:
62
/
i10-index:
111
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry

Henry Markram et al.Oct 1, 2015
We present a first-draft digital reconstruction of the microcircuitry of somatosensory cortex of juvenile rat. The reconstruction uses cellular and synaptic organizing principles to algorithmically reconstruct detailed anatomy and physiology from sparse experimental data. An objective anatomical method defines a neocortical volume of 0.29 ± 0.01 mm3 containing ∼31,000 neurons, and patch-clamp studies identify 55 layer-specific morphological and 207 morpho-electrical neuron subtypes. When digitally reconstructed neurons are positioned in the volume and synapse formation is restricted to biological bouton densities and numbers of synapses per connection, their overlapping arbors form ∼8 million connections with ∼37 million synapses. Simulations reproduce an array of in vitro and in vivo experiments without parameter tuning. Additionally, we find a spectrum of network states with a sharp transition from synchronous to asynchronous activity, modulated by physiological mechanisms. The spectrum of network states, dynamically reconfigured around this transition, supports diverse information processing strategies.PaperClip/cms/asset/5c91a1a4-b7e0-4955-9798-ad9ab0d5fbaa/mmc9.mp3Loading ...(mp3, 4.69 MB) Download audio Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJiYzRhNjA2YjExNzIyYzdkYTg3ZWE3NmE3ZTk2ZjFhOSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NTQxODAyfQ.EjLkN-IdxBeFQwOHLTNE-2eF9J6Lj0To4SrjSD3lMLMRJI3tlaCZjGO7CWvJIuPRild2x9HPTykK5VTweD2086IAqwaIX88_9L6vL1nSl-IjX9XmcnyPPjGqdTDbyhUKNI8rY0XP4lJjVIq9nK7oUQGMDTc-xpohB3YpbptwG2nf_1S1Qy-X9V9BiAjFKz9aRCoJXxNgMXzLHwMMZGBD5AXohicEJA97wt7mjd40e9zGmhGhWTtJLIjdX2oedpNmxDqbApsvVd5uG1F4Z4vHnJQ5Agc77dB0lXhZW_HE-RO-Gr6SWKd7D4ErXyWzchsflW6zaVdNBUhQ_DxLeFJ9lg(mp4, (24.73 MB) Download video
0

Ion Channel Stochasticity May Be Critical in Determining the Reliability and Precision of Spike Timing

Elad Schneidman et al.Oct 1, 1998
The firing reliability and precision of an isopotential membrane patch consisting of a realistically large number of ion channels is investigated using a stochastic Hodgkin-Huxley (HH) model. In sharp contrast to the deterministic HH model, the biophysically inspired stochastic model reproduces qualitatively the different reliability and precision characteristics of spike firing in response to DC and fluctuating current input in neocortical neurons, as reported by Mainen & Sejnowski (1995). For DC inputs, spike timing is highly unreliable; the reliability and precision are significantly increased for fluctuating current input. This behavior is critically determined by the relatively small number of excitable channels that are opened near threshold for spike firing rather than by the total number of channels that exist in the membrane patch. Channel fluctuations, together with the inherent bistability in the HH equations, give rise to three additional experimentally observed phenomena: subthreshold oscillations in the membrane voltage for DC input, “spontaneous” spikes for subthreshold inputs, and “missing” spikes for suprathreshold inputs. We suggest that the noise inherent in the operation of ion channels enables neurons to act as “smart” encoders. Slowly varying, uncorrelated inputs are coded with low reliability and accuracy and, hence, the information about such inputs is encoded almost exclusively by the spike rate. On the other hand, correlated presynaptic activity produces sharp fluctuations in the input to the postsynaptic cell, which are then encoded with high reliability and accuracy. In this case, information about the input exists in the exact timing of the spikes. We conclude that channel stochasticity should be considered in realistic models of neurons.
0

Models of Neocortical Layer 5b Pyramidal Cells Capturing a Wide Range of Dendritic and Perisomatic Active Properties

Etay Hay et al.Jul 28, 2011
The thick-tufted layer 5b pyramidal cell extends its dendritic tree to all six layers of the mammalian neocortex and serves as a major building block for the cortical column. L5b pyramidal cells have been the subject of extensive experimental and modeling studies, yet conductance-based models of these cells that faithfully reproduce both their perisomatic Na+-spiking behavior as well as key dendritic active properties, including Ca2+ spikes and back-propagating action potentials, are still lacking. Based on a large body of experimental recordings from both the soma and dendrites of L5b pyramidal cells in adult rats, we characterized key features of the somatic and dendritic firing and quantified their statistics. We used these features to constrain the density of a set of ion channels over the soma and dendritic surface via multi-objective optimization with an evolutionary algorithm, thus generating a set of detailed conductance-based models that faithfully replicate the back-propagating action potential activated Ca2+ spike firing and the perisomatic firing response to current steps, as well as the experimental variability of the properties. Furthermore, we show a useful way to analyze model parameters with our sets of models, which enabled us to identify some of the mechanisms responsible for the dynamic properties of L5b pyramidal cells as well as mechanisms that are sensitive to morphological changes. This automated framework can be used to develop a database of faithful models for other neuron types. The models we present provide several experimentally-testable predictions and can serve as a powerful tool for theoretical investigations of the contribution of single-cell dynamics to network activity and its computational capabilities.
0

A novel multiple objective optimization framework for constraining conductance-based neuron models by experimental data

Shaul Druckmann et al.Nov 1, 2007
We present a novel framework for automatically constraining parameters of compartmental models of neurons, given a large set of experimentally measured responses of these neurons. In experiments, intrinsic noise gives rise to a large variability (e.g., in firing pattern) in the voltage responses to repetitions of the exact same input. Thus, the common approach of fitting models by attempting to perfectly replicate, point by point, a single chosen trace out of the spectrum of variable responses does not seem to do justice to the data. In addition, finding a single error function that faithfully characterizes the distance between two spiking traces is not a trivial pursuit. To address these issues, one can adopt a multiple objective optimization approach that allows the use of several error functions jointly. When more than one error function is available, the comparison between experimental voltage traces and model response can be performed on the basis of individual features of interest (e.g., spike rate, spike width). Each feature can be compared between model and experimental mean, in units of its experimental variability, thereby incorporating into the fitting this variability. We demonstrate the success of this approach, when used in conjunction with genetic algorithm optimization, in generating an excellent fit between model behavior and the firing pattern of two distinct electrical classes of cortical interneurons, accommodating and fast-spiking. We argue that the multiple, diverse models generated by this method could serve as the building blocks for the realistic simulation of large neuronal networks.
0
Citation299
0
Save
0

Dendritic and Axonal Architecture of Individual Pyramidal Neurons across Layers of Adult Human Neocortex

Hemanth Mohan et al.Aug 28, 2015
The size and shape of dendrites and axons are strong determinants of neuronal information processing. Our knowledge on neuronal structure and function is primarily based on brains of laboratory animals. Whether it translates to human is not known since quantitative data on “full” human neuronal morphologies are lacking. Here, we obtained human brain tissue during resection surgery and reconstructed basal and apical dendrites and axons of individual neurons across all cortical layers in temporal cortex (Brodmann area 21). Importantly, morphologies did not correlate to etiology, disease severity, or disease duration. Next, we show that human L(ayer) 2 and L3 pyramidal neurons have 3-fold larger dendritic length and increased branch complexity with longer segments compared with temporal cortex neurons from macaque and mouse. Unsupervised cluster analysis classified 88% of human L2 and L3 neurons into human-specific clusters distinct from mouse and macaque neurons. Computational modeling of passive electrical properties to assess the functional impact of large dendrites indicates stronger signal attenuation of electrical inputs compared with mouse. We thus provide a quantitative analysis of “full” human neuron morphologies and present direct evidence that human neurons are not “scaled-up” versions of rodent or macaque neurons, but have unique structural and functional properties.
0
Citation247
0
Save
6

The role of hub neurons in modulating cortical dynamics

Eyal Gal et al.Jun 11, 2021
Abstract Many neurodegenerative diseases are associated with the death of specific neuron types in particular brain regions. What makes the death of specific neuron types particularly harmful for the integrity and dynamics of the respective network is not well understood. To start addressing this question we used the most up-to-date biologically-realistic dense neocortical microcircuit (NMC) of rodent, which has reconstructed a volume of 0.3 mm 3 and containing 31,000 neurons, 36 million synapses, and 55 morphological cell types arranged in 6 cortical layers. Using modern network science tools, we identified “hub-neurons” in the NMC, that are connected synaptically to a large number of their neighbors and systematically examined the impact of abolishing these cells. In general, the structural integrity of the network is robust to cells’ attack; yet, attacking hub neurons strongly impacted the “small worldness” topology of the network, whereas similar attacks on random neurons have a negligible effect. Such hub-specific attacks are also impactful on the network dynamics, both when the network is at its spontaneous synchronous state and when it was presented with synchronized thalamo-cortical visual-like input. We found that attacking layer 5 hub neurons are most harmful to the structural and functional integrity of the NMC. The significance of our results for understanding the role of specific neuron types and cortical layers for disease manifestation is discussed.
0

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

Giuseppe Chindemi et al.Apr 20, 2020
Long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) of pyramidal cell connections are among the key mechanisms underlying learning and memory in the brain. Despite their important role, only a few of these connections have been characterized in terms of LTP/LTD dynamics, such as the one between layer 5 thick-tufted pyramidal cells (L5-TTPCs). Comparing the available evidence on different pyramidal connection types reveals a large variability of experimental outcomes, possibly indicating the presence of connection-type-specific mechanisms. Here, we show that a calcium-based plasticity rule regulating L5-TTPC synapses holds also for several other pyramidal-to-pyramidal connections in a digital model of neocortical tissue. In particular, we show that synaptic physiology, cell morphology and innervation patterns jointly determine LTP/LTD dynamics without requiring a different model or parameter set for each connection type. We therefore propose that a similar set of plasticity mechanisms is shared by seemingly very different neocortical connections and that only a small number of targeted experiments is required for generating a complete map of synaptic plasticity dynamics in the neocortex.
0
Citation5
0
Save
Load More