Abstract Critical network states and neural plasticity are essential for flexible behavior in an ever-changing environment, which allows for efficient information processing and experience-based learning. Synaptic-weight-based Hebbian plasticity and homeostatic synaptic scaling were considered the key players in enabling memory while stabilizing network dynamics. However, spine-number-based structural plasticity is not consistently reported as a homeostatic mechanism, leading to an insufficient under-standing of its functional impact. Here, we combined live-cell microscopy of eGPF-tagged neurons in organotypic entorhinal-hippocampal tissue cultures and computational modeling to study the re-sponse of structural plasticity under activity perturbations and its interplay with homeostatic synaptic scaling. By following individual dendritic segments, we demonstrated that the inhibition of excitatory neurotransmission did not linearly regulate dendritic spine density: Inhibition of AMPA receptors with a low concentration of 2,3-dioxo-6-nitro-7-sulfamoyl-benzo[f]quinoxaline (NBQX, 200 nM) sig-nificantly increased the spine density while complete blockade of AMPA receptors with 50 µ M NBQX reduced spine density. Motivated by these results, we established network simulations in which a biphasic structural plasticity rule governs the activity-dependent formation of synapses. We showed that this bi-phasic rule maintained neural activity homeostasis upon stimulation and permitted both synapse formation and synapse loss, depending on the degree of activity deprivation. Homeostatic synaptic scaling affected the recurrent connectivity, modulated the network activity, and influenced the outcome of structural plasticity. It reduced stimulation-triggered homeostatic synapse loss by downscaling synaptic weights; meanwhile, it rescued silencing-induced synapse degeneration by am-plifying recurrent inputs via upscaling to reactivate silent neurons. Their interplay explains divergent results obtained in varied experimental settings. In summary, calcium-based synaptic scaling and homeostatic structural plasticity rules compete and compensate one another other to achieve an eco-nomical and robust control of firing rate homeostasis.

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a non-invasive brain stimulation technique used to induce neuronal plasticity in healthy individuals and patients. Designing effective and reproducible rTMS protocols poses a major challenge in the field as the underlying biomechanisms remain elusive. Current clinical protocol designs are often based on studies reporting rTMS-induced long-term potentiation or depression of synaptic transmission. Herein, we employed computational modeling to explore the effects of rTMS on long-term structural plasticity and changes in network connectivity. We simulated a recurrent neuronal network with homeostatic structural plasticity between excitatory neurons, and demonstrated that this mechanism was sensitive to specific parameters of the stimulation protocol (i.e., frequency, intensity, and duration of stimulation). The feedback-inhibition initiated by network stimulation influenced the net stimulation outcome and hindered the rTMS-induced homeostatic structural plasticity, highlighting the role of inhibitory networks. These findings suggest a novel mechanism for the lasting effects of rTMS, i.e., rTMS-induced homeostatic structural plasticity, and highlight the importance of network inhibition in careful protocol design, standardization, and optimization of stimulation.

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a variant of non-invasive neuromodulation, which promises treatment for brain diseases like major depressive disorder. In experiments, long-lasting aftereffects were observed, suggesting that persistent plastic changes are induced. The mechanism underlying the emergence of lasting aftereffects, however, remains elusive. Here we propose a model, which assumes that tDCS triggers a homeostatic response of the network involving growth and decay of synapses. The cortical tissue exposed to tDCS is conceived as a recurrent network of excitatory and inhibitory neurons, with synapses subject to homeostatically regulated structural plasticity. We systematically tested various aspects of stimulation, including electrode size and montage, as well as stimulation intensity and duration. Our results suggest that transcranial stimulation perturbs the homeostatic equilibrium and leads to a pronounced growth response of the network. The stimulated population eventually eliminates excitatory synapses with the unstimulated population, and new synapses among stimulated neurons are grown to form a cell assembly. Strong focal stimulation tends to enhance the connectivity within new cell assemblies, and repetitive stimulation with well-chosen duty cycles can increase the impact of stimulation even further. One long-term goal of our work is to help optimizing the use of tDCS in clinical applications.

Abstract Plasticity is the mechanistic basis of development, aging, learning and memory, both in healthy and pathological brains. Structural plasticity is rarely accounted for in computational network models, due to a lack of insight into the underlying neuronal mechanisms and processes. Little is known about how the rewiring of networks is dynamically regulated. To inform such models, we characterized the time course of neural activity, the expression of synaptic proteins, and neural morphology employing an in vivo optogenetic mouse model. We stimulated pyramidal neurons in the anterior cingulate cortex of mice and harvested their brains at 1.5 h, 24 h, and 48 h after stimulation. Stimulus-induced cortical hyperactivity persisted up to 1.5 h and decayed to baseline after 24 h, indicated by c-Fos expression. The synaptic proteins VGLUT1 and PSD-95, in contrast, were upregulated at 24 h and downregulated at 48 h, respectively. Spine density and spine head volume were also increased at 24 h and decreased at 48 h. This specific sequence of events reflects a continuous joint evolution of activity and connectivity that is characteristic of the model of homeostatic structural plasticity. Our computer simulations thus corroborate the observed empirical evidence from our animal experiments.

Lightweight and robust aerogels with multifunctionality are highly desirable to meet the technological demands of current society. Herein, we designed lightweight, elastic, and superhydrophobic multifunctional organic-inorganic fibrous hybrid aerogels which were assembled with organic aramid nanofibers and inorganic hierarchical porous carbon fibers. Thanks to the organic-inorganic fiber hybridization strategy, the optimal aerogels possessed remarkable compressibility and elasticity. Benefiting from the microscopic hierarchical porous structure of carbon fibers and the macroscopic macroporous lamellar structure of aerogels, the optimal aerogels exhibited superb lightweight property, conspicuous electromagnetic microwave absorption ability, and outstanding oily wastewater purification capacity. As for electromagnetic microwave absorption, it achieved a strong reflection loss of -41.8 dB, and the effective absorption bandwidth reached 6.86 GHz. Besides, the oil adsorption capacity for trichloromethane reached as high as 93.167 g g

Non-invasive brain stimulation modalities, including transcranial direct current stimulation (tDCS), are widely used in neuroscience and clinical practice to modulate brain function and treat neuropsychiatric diseases. DC stimulation of ex vivo brain tissue slices has been a method used to understand mechanisms imparted by tDCS. However, delivering spatiotemporally uniform direct current electric fields (dcEFs) that have precisely engineered magnitudes and are also exempt from toxic electrochemical by-products are both significant limitations in conventional experimental setups. As a consequence, bioelectronic dose-response interrelations, the role of EF orientation, and the biomechanisms of prolonged or repeated stimulation over several days all remain not well understood. Here we developed a platform with fluidic, electrochemical, and magnetically-induced spatial control. Fluidically, the chamber geometrically confines precise dcEF delivery to the enclosed brain slice and allows for tissue recovery in order to monitor post-stimulation effects. Electrochemically, conducting hydrogel electrodes mitigate stimulation-induced faradaic reactions typical of commonly-used metal electrodes. Magnetically, we applied ferromagnetic substrates beneath the tissue and used an external permanent magnet to enable in situ rotational control in relation to the dcEF. By combining the microfluidic chamber with live-cell calcium imaging and electrophysiological recordings, we showcased the potential to study the acute and lasting effects of dcEFs with the potential of providing multi-session stimulation. This on-chip bioelectronic platform presents a modernized yet simple solution to electrically stimulate explanted tissue by offering more environmental control to users, which unlocks new opportunities to conduct thorough brain stimulation mechanistic investigations.