Open this publication in new window or tab >>2025 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]
Biological neural networks exhibit remarkable diversity, where each neuron type is genetically encoded with certain chemical specificity and morphological properties. These neuron-level specifications, when put together into a network, give rise to various microcircuits in the brain. This thesis investigates how these single neuron properties determine microcircuit connectivity. In turn, the network dynamics emerge from and are constrained by the underlying connectivity.
The chemical specificity is reflected in the neuronal compositions and type-specific connection probabilities. In the cortical microcircuit, pyramidal neurons and three major classes of inhibitory interneurons have a preference for presynaptic sources and postsynaptic targets. At the population level, it gives rise to redundancy in rate coding and non-linearity to the neuronal transfer function. In turn, it supports flexible modulations of across-trial variability by tuning the input distribution across trials. In the striatal microcircuit, fast-spiking interneurons (FSI), despite constituting only around 1\% of the striatal population, exert powerful feedforward inhibition due to their dense and strong axonal projections. The connectivity of FSIs leads to a significant sharing of feedforward inhibition in the major striatal population, medium spiny neurons (MSN). In turn, this shared inhibition results in variable population responses across trials and bidirectional control of the correlation transfer from cortical stimuli to striatal activities.
The morphology of individual neurons is deeply related to the network connectivity as well. In Parkinson’s disease (PD), striatal microcircuits undergo structural changes: FSIs exhibit axonal sprouting, amplifying shared inhibition and synchrony, while MSNs display dendritic atrophy, weakening corticostriatal drive. Compensatory mechanisms, such as synaptic scaling or rewiring, could potentially restore functional balance. In a more general setting, spatial constraints shape higher-order structures of microcircuit connectivity. The arrangement of neurons and the shape of their neurites induce connection preferences in terms of overlaps between axons, dendrites, and axon/dendrite. Such overlaps represent the second-order approximation of connections. A spatially coherent pattern of overlap would generate spatiotemporal activity patterns as an implementation of cell assemblies.
A combination of chemical specificity and morphological properties leads to a complete theoretical framework from single neurons to networks. Experimental observations of type-specific connection rules (both transcriptomic and morphological) would enable the abstraction of distinct brain regions into concrete microcircuits. These microcircuits serve as a biologically plausible baseline of neural network models.
Abstract [sv]
Biologiska neurala nätverk uppvisar en anmärkningsvärd mångfald, där varje neuronsubtyp är genetiskt kodad med en viss kemisk specificitet och morfologiska egenskaper. Dessa egenskaper på neuronivå, när de sammanförs i ett nätverk, ger upphov till olika mikrokretsar i hjärnan. Denna avhandling undersöker hur dessa egenskaper hos enskilda neuroner bestämmer mikrokretsarnas kopplingsmönster. I sin tur uppstår nätverksdynamiken från och begränsas av den underliggande kopplingsstrukturen.
Den kemiska specificiteten återspeglas i neuronsammansättningen och typ-specifika sannolikheter för anslutningar. I den kortikala mikrokretsen har pyramidalneuroner och tre huvudklasser av hämmande interneuroner en preferens för presynaptiska källor och postsynaptiska mål. På populationsnivå leder detta till redundans i frekvenskodning och icke-linearitet i den neurala överföringsfunktionen. Detta stödjer i sin tur flexibla modulationer av variabilitet mellan försök genom att justera inputfördelningen över försök. I den striatala mikrokretsen utövar snabbspikande interneuroner (FSI), trots att de endast utgör cirka 1\% av den striatala populationen, kraftfull feedforward-hämning på grund av sina täta och starka axonala utskott. Kopplingsmönstret hos FSIs leder till en betydande delning av feedforward-hämning i den största striatala populationen, medelstora taggade neuroner (MSN). Denna delade hämning resulterar i variabla populationssvar över försök och en dubbelriktad kontroll av korrelationsöverföringen från kortikala stimuli till striatal aktivitet.
Morfologin hos enskilda neuroner är också starkt kopplad till nätverkets kopplingsmönster. Vid Parkinsons sjukdom (PD) genomgår striatala mikronätverk strukturella förändringar: FSI-neuroner (fast-spiking interneurons) uppvisar axonell utväxt, vilket förstärker gemensam inhibition och synkronitet, medan mediospinyneuroner visar dendritisk atrofi, vilket försvagar den kortikostriatala drivningen. Kompensatoriska mekanismer, såsom synaptisk skalning eller omkoppling, skulle potentiellt kunna återställa den funktionella balansen. I en mer generell kontext formar rumsliga begränsningar högre ordningens strukturer i mikronätverkets kopplingsmönster. Arrangemanget av neuroner och formen på deras neutriter skapar preferenser för kopplingar i termer av överlappningar mellan axoner, dendriter och axon/dendrit. Sådana överlappningar representerar en andraordningsapproximation av kopplingar. Ett rumsligt sammanhängande mönster av överlappningar skulle generera spatiotemporala aktivitetsmönster som en implementering av cellassemblér.
En kombination av kemisk specificitet och morfologiska egenskaper leder till ett komplett teoretiskt ramverk från enskilda neuroner till nätverk. Experimentella observationer av typ-specifika kopplingsregler (både transkriptomiska och morfologiska) skulle möjliggöra abstraktion av olika hjärnregioner till konkreta mikrokretsar. Dessa mikrokretsar fungerar som en biologiskt trovärdig baslinje för neurala nätverksmodeller.
Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2025. p. 102
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2025:77
Keywords
neural diversity, type-specific connectivity, cortical microcircuit, across-trial variability, striatal microcircuit, correlation transfer, Parkinson's disease, spatial constraint, non-isotropic morphology, spatiotemporal sequences, neural mångfald, typ-specifik kopplingsmönster, kortikal mikrokrets, variabilitet mellan försök, striatal mikrokrets, korrelationsöverföring, Parkinsons sjukdom, rumsliga begränsningar, icke-isotrop morfologi, spatiotemporala sekvenser
National Category
Computer Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-367766 (URN)978-91-8106-361-5 (ISBN)
Public defence
2025-08-25, F3, (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, KTH Campus, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research Council, 2018-03118
Note
QC 20250731
2025-07-312025-07-302025-08-19Bibliographically approved