Publications · 2026 · Journal article

Metabolic constraints shape hypersynchronous dynamics in spiking cortical microcircuit models

Daniel Dadras, Hae-Jeong Park

Scientific ReportsCorresponding author

Abstract

Neuronal activity depends on ATP-consuming ion homeostasis, yet the circuit-level consequences of impaired energy availability remain difficult to isolate experimentally. Existing seizure models often represent metabolic effects indirectly or at single-cell scale, leaving unclear how cellular energetic stress can alter structured cortical network dynamics. Here, we tested whether coupling intracellular energy availability to neuronal excitability is sufficient to destabilize baseline cortical activity and generate seizure-like synchronization. We extended the Adaptive Exponential Integrate-and-Fire model with a normalized energy variable governed by explicit production and consumption terms, fitted layer-specific parameters to human cortical current-clamp recordings, and embedded the model in a laminar cortical microcircuit. Reduced ATP production shifted the network from stable asynchronous baseline activity into a low-ATP burst-synchronized state characterized by reduced mean firing rates, increased Fano factor, and high-amplitude LFP-like oscillations. Increasing inhibitory synaptic conductance during persistent metabolic stress suppressed burst synchrony without restoring the metabolic state variable, producing an inhibition-stabilized low-energy state. Forward-backward parameter sweeps suggested history-dependent changes in burst synchrony, most consistently during inhibitory-conductance modulation, although these effects were readout- and dwell-time dependent. Together, these results provide a scalable spiking-network framework for studying how metabolic constraints shape cortical stability and for distinguishing suppression of seizure-like electrical activity from recovery of the underlying metabolic state.

Korean summary

뇌세포의 에너지(ATP) 공급이 부족해지면 대뇌피질 회로가 어떻게 발작과 유사한 과동기화 상태로 빠지는지를 계산 모델로 살핀 연구입니다. 신경세포 스파이킹 모델에 에너지 생산과 소비를 명시적으로 표현하는 변수를 결합하고, 사람 대뇌피질 전기생리 기록으로 층별 매개변수를 맞춘 뒤 층 구조를 가진 피질 미세회로 모델에 넣어 시뮬레이션했습니다. ATP 생산이 줄어들면 회로가 안정된 비동기 상태에서 낮은 발화율과 큰 진폭의 동기화된 버스트가 반복되는 상태로 전환되었고, 이때 억제성 시냅스를 강화하면 동기화는 억제되지만 에너지 상태 자체는 회복되지 않는 '억제로 안정화된 저에너지 상태'가 나타났습니다. 이는 발작성 전기 활동을 가라앉히는 것과 기저의 대사 문제를 실제로 해결하는 것이 서로 다를 수 있음을 시사하며, 대사 이상과 뇌전증의 관계를 회로 수준에서 탐구할 수 있는 확장 가능한 모델 틀을 제공합니다.

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