A thalamocortical substrate for integrated information via critical synchronous bursting

爆裂 神经科学 丘脑 意识 联轴节(管道) 机制(生物学) 信息处理 计算机科学 生物 生物系统 物理 材料科学 量子力学 冶金
作者
Brandon Munn,Eli J. Müller,Jaan Aru,Christopher Whyte,Albert Gidon,Matthew E. Larkum,James M. Shine
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (46) 被引量:2
标识
DOI:10.1073/pnas.2308670120
摘要

Understanding the neurobiological mechanisms underlying consciousness remains a significant challenge. Recent evidence suggests that the coupling between distal-apical and basal-somatic dendrites in thick-tufted layer 5 pyramidal neurons (L5PN), regulated by the nonspecific-projecting thalamus, is crucial for consciousness. Yet, it is uncertain whether this thalamocortical mechanism can support emergent signatures of consciousness, such as integrated information. To address this question, we constructed a biophysical network of dual-compartment thick-tufted L5PN, with dendrosomatic coupling controlled by thalamic inputs. Our findings demonstrate that integrated information is maximized when nonspecific thalamic inputs drive the system into a regime of time-varying synchronous bursting. Here, the system exhibits variable spiking dynamics with broad pairwise correlations, supporting the enhanced integrated information. Further, the observed peak in integrated information aligns with criticality signatures and empirically observed layer 5 pyramidal bursting rates. These results suggest that the thalamocortical core of the mammalian brain may be evolutionarily configured to optimize effective information processing, providing a potential neuronal mechanism that integrates microscale theories with macroscale signatures of consciousness.

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