Lecture Notes in Computer Science

Corticopetal Acetylcholine: Possible Scenarios on the 

Role for Dynamic Organization of Quasi-Attractors 

Hiroshi Fujii

1,2

, Kazuyuki Aihara

2,3

, and Ichiro Tsuda

4,5

 

1

 Department of Information and Communication Sciences,  

Kyoto Sangyo University, Kyoto 603-8555, Japan  

[e-mail] 

2 

Institute of Industrial Science, the University of Tokyo, Tokyo 153-8505 

[e-mail] 

3 

ERATO, Japan Science and Technology Agency, Tokyo 151-0065, Japan 

4 

Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University,

 

Sapporo 060-0812, Japan 

[e-mail] 

5 

Center of Excellence

（COE）in Mathematics, Department of Mathematics,  

Hokkaido University, Sapporo 060-0810, Japan 

Abstract. A new hypothesis on a possible role for the corticopetal acetylcholine 

(ACh) is provided from a dynamical systems standpoint. The corticopetal ACh 

helps to transiently organize a global (inter- and intra-cortical) quasi-attractors 

via gamma range synchrony when it is behaviorally needed as top-down 

attentions and expectation.  

1   Introduction 

1.1   Corticopetal Acetylcholine 

Achetylcholine (ACh) is the first substance identified as a neurotransmitter by Otto 

Loewi [19].  Although it is increasingly recognized that ACh plays a critical role, not 

only in arousal and sleep, but in higher cognitive functions as attention, conscious 

flow, and so on, the question on the way in which ACh works in those cognitive 

processes remains a mystery [11].  

The corticopetal ACh, originated in the nucleus basalis of Meinert (NBM), a part 

of the basal forebrain (BF), is the primary source of cortical ACh, and the major target 

of BF projections is the cortex [21]. Behavioral studies and those using immunotoxin 

as well provide consistent evidence of the role of ACh in top-down attentions. A 

blockage of NBM ACh, either by deasease-related or drug-induced, causes a severe 

loss of attentions: selective  attention,  sustained attention, and divided attention 

together with a shift of attention. 

ACh concerns conscious flow (Perry & Perry [24]). Continual death of cholinergic 

neurons in NBM causes Lewy Body Dementia (LBD), one of the most salient 

symptoms of which is the complex visual hallucination (CVH) [1].

1

  

                                                           

1

 

Perry and Perry [24] noted those hallucinatory LBD patients who see: “integrated images of 

people or animals which appear real at the time”, “insects on walls”, or “bicycles outside the 

fourth storey window”. Images are generally vivid and colored, continue for a few minutes 

(neither seconds nor hours). It is to be noted that “many of those experiences are enhanced 

during  eye closed and relieved by visual input”, and “nicotinic anatagonists, such as 

mecamylamine, are not reported to induce hallucinations”. 

 Corticopetal Acetylcholine: Possible Scenarios on the Role for Dynamic Organization 

171 

1.2   Attentions, Cortical State Transitions and Cholinergic Control System from 

NBM 

Top-down flow of signals which accompanies attentions, expectation and so on may 

cause  state transitions in the “down stream” cortices. Fries et al. [7] reported  an 

increase of synchrony in high-gamma range in accordance of selective attention. (See, 

also Jones [15], Buschman et al. [2].)  

Metherate et al. [22] stimulated NBM in in vivo preparations of auditory cortex. Of 

particular interest in their observations is that NBM ACh produced a change in 

subthreshold  membrane potential fluctuations from large-amplitude, slow (1-5 Hz) 

oscillations to low-amplitude, fast (20-40 Hz) (i.e., gamma) oscillations. A shift of 

spike discharge pattern from phasic to tonic was also observed.

2

 They pointed out that 

in view of the wide spread projections of NBM neurons, larger intercortical networks 

could also be modified. 

Together with Fries et al. data, it is suggested that NBM cholinergic projections 

may induce a state transition as a shift of frequency, and change of discharge pattern 

in neocortical neurons.   

This may be consistent with the observation made by 

Kay  et al. [16]

. During 

perceptual processing in the olfactory-limbic axis, a cascade of brain events at the 

successive stages of the task as “expectation” and/or “attention” was observed. 

‘Local’ transitions of the olfactory structures indicated by modulations of EEG signals 

as gamma amplitude, periodicity, and coherence were reported to exist. Kay et al. also 

observed that the local dynamics transiently falls into attractor-like states.   

Such ‘local’ transitions of states are generally postulated to be triggered by ‘top-

down’ glutamatergic spike volleys from “upper stream” organizations. However, such 

brain events of state transitions with a change in synchrony could be a result of 

collaboration of descending glutamatergic spike volleys and ascending ACh afferents 

from NBM. (See, also [26]).

3

 

2   Neural Correlate of Conscious Percepts and the Role of the 

Corticopetal ACh 

2.1   Neural Correlates of Conscious Percepts and Transient Synchrony 

The corticopetal ACh pathway might be the critical control system which may trigger 

various kinds of attentions receiving convergent inputs from other sensory and 

association areas as Sarter et al. [25], [26] argued. In order to discuss the role of the 

                                                           

2

 NBM contains cholinergic neurons and non-cholinergic neurons. GABAergic neurons are at 

least twice more numerous than cholinergic neurons [15] The Metherate et al. observations 

(above) may be the result of collective functioning of both the cholinergic and GABAergic 

projections. Wenk [31] argued another possibility that the NBM ACh projections on the 

reticular thalamic nucleus might cause the cortical state change.  

3

 Triangular Attentional Pathway: The above arguments may better be complemented by the 

triangular amplification circuitry, a pathway consisting of parietal cortex → prefrontal cortex 

→ NBM → sensory cortex [10]. This may constitute the cholinergic control system from 

NBM, i.e., the top-down attentional pathway for cholinergic modulations of responses in 

cortical sensory areas.  

172 

H. Fujii, K. Aihara, and I. Tsuda 

corticopetal ACh related to attentions, we first begin with the question: What is the 

neural correlate of conscious percepts?  

The recent experiments by Kenet et al. [17] show the possibility that in a 

background (or spontaneous) state where no external stimuli exist, the visual cortex 

fluctuates between specific internal states. This might mean that cortical circuitry has 

a number of pre-existing and intrinsic internal states which represent features, and the 

cortex fluctuates between such multiple intrinsic states even when no external inputs 

exist. (See, also Treisman et al. [27].) 

Attention and Dynamical Binding Through Synchrony 

In order that perception of an object makes sense, its features, or fragmentary sub-

assemblies, must be bound as a unity. How does the “binding” of those local 

fragmentary dynamics into a global dynamics is done? A widely accepted view is that 

top-down signals as expectation, attentions, and so on may play the role of such an 

integration, which is mediated by (possibly gamma) synchronization among the 

concerned assemblies representing stimuli or events. We postulate that such a process 

is a basis of global intra- and inter-cortical conjunctions of brain activities. See, 

Varela et al. [30],Womelsdorf et al. [32].  See, also Dehaene and Changeux [5].)  

The neural correlate of conscious percepts is a globally integrated state of related 

brain networks mediated by synchrony over gamma and other frequency bands. In 

mathematical terms, such transient processes of synchrony of global, but between 

selected groups of neurons may be described as a transitory state of approaching a 

global attractor. We note that such a “transitory” state may be conceptualized as an 

attractor ruin (Tsuda [28], Fujii et al. [8]), in which there are orbits approaching and 

stay there for a while, but may simultaneously possess repelling orbits from itself. The 

proper Milnor attractor and its perturbed structures can be a specific representation of 

attractor ruins [8]. However, since the concept of attractor ruins may include a wider 

class of non-classical attractors than the Milnor attractor, we may use the term 

“attractor ruins” in this paper to include possible but unknown classes of ruins. 

2.2   Role of the Corticopetal ACh: A Working Hypothesis 

How can top-down attentions, expectation, etc. contribute to conscious perception 

with the aid of ACh? Assuming the arguments in the preceding section, this question 

could be translated into: “How do the corticopetal ACh projections work for the 

emergence of globally organized attractor ruins via transient synchrony?”  

We summarize our tentative proposition as a Working Hypothesis in the following. 

Working Hypothesis: 

The role of the corticopetal ACh accompanied with top-down contextual signals as 

attentions and so on is the mediator for dynamically organizing quasi-attractors, 

which are required in conscious perception, or in executing actions.  

ACh “integrates” multiple “floating subnetworks” into “a transient synchrony 

group” in the gamma frequency range. Such a transiently emerging synchrony group 

can be regarded as an attractor ruin in the dynamical systems-theoretic sense.  

 Corticopetal Acetylcholine: Possible Scenarios on the Role for Dynamic Organization 

173 

3   Do the Existing Experimental Data Support the Working 

Hypothesis? 

3.1   Introductory Remarks: Transient Synchronization by Virtue of Pre- and 

Post-synaptic ACh Modulations 

ACh may have both pre-synaptic and post-synaptic effects on individual neurons in 

the cortex.  

First, top-down glutamatergic spike volleys flow into cortical layers, which might 

convey contextual information on stimuli. The corticopetal ACh arrives concomitantly 

with the glutamatergic volleys.   

If ACh release modulates synaptic connectivity between cortical neurons even in 

an effective sense by virtue of “pre-synaptic modulations”, metamorphosis of the 

attractor landscape

4

 should be inevitable. Post-synaptic influences of the corticopetal 

ACh on individual neurons – either inhibitory or excitatory, might cause deep effects 

on their firing behavior, and might induce a state transition with a collective gamma 

oscillation.  

A consequence of the three effects together might trigger a specific group of 

networks to oscillate in gamma frequency with phase synchrony. These are all 

speculative stories based on experimental evidence. We need at least to examine the 

present status on the experimental data concerning the cortical ACh influence on 

individual neurons.  

This may be the place to add a comment on the specificity of the corticopetal ACh 

projections on the cortex, which may be a point of arguments. It is reported that the 

cholinergic afferents specialized synaptic connections with post synaptic targets, 

rather than releasing ACh non-specifically (Turrini et al..[29].)

 

3.2   Controversy on Experimental Data 

Let us review quickly the existing experimental data.  As noted before, “there exist 

little consensus among researchers for more than a half century” [11]. The following 

is not intended to give a complete review, but to give a preliminary knowledge which 

may be of help to understand the succeeding discussions.  

ACh have two groups of receptors, one is the muscarinic receptors, mAChRs with 

5 subtypes, and the other is nicotinic receptors, nAChRs with 17 subtypes.

 

The 

nAChR is a relatively simple cationic (Na

+

 and Ca

2+

) channel, the opening of which 

leads to a rapid depolarization followed by desensitization. Most of mAChRs 

activation exhibits the slower onset and longer lasting G-protein coupled second 

messenger generation.

 

Here the primary interest is in mAChRs.

5

 The functions of 

mAChRs are reported to be two-fold: one is pre-synaptic, and the other is post-

synaptic modulations.

 

                                                           

4

 “Attractor landscape” is usually used for potential systems. Here, we use it to mean the 

landscape of “basins” (absorbing regions), of classical and non-classical attractors as attractor 

ruins. 

5

 The nicotinic receptors, nAChRs may work as a disinhibition system to layer 2/3 pyramidal 

neurons

 

[4]), the exact function of which is not known yet.  

174 

H. Fujii, K. Aihara, and I. Tsuda 

Post-synapticModulations

 

The results of traditional studies may be divided into two opposing data. The majority 

view is that mAChRs function as excitatory transmitter for post-synaptic neurons 

(see, e.g., 

McCormick [20])

, while there are minority data that claim inhibitory 

functioning. The latter, however, has been considered to be a consequence of ACh 

excitation of interneurons, which in turn may inhibit post-synaptic pyramidal neurons 

(PYR).  

Recently, Gulledge et al. [11], [12] stated that transient mAChR activation 

generates strong and direct transient inhibition of neocortical PYR. The underlying 

ionic process is the induction of calcium release from internal stores, and subsequent 

activation of small-conductance (SK–type) calcium-activated potassium channels. 

The authors claim that the traditional data do not describe the actions of transient 

mAChR activation, as is likely to happen during synaptic release of ACh by the 

following reasons. 

1. 

In vivo ACh concentration: Previous studies typically used high concentrations 

of muscarinic agonists (1–100 mM). Extracellular concentrations of ACh in the 

cortex are at least one order of magnitude lower than those required to 

depolarize PYR in vitro. 

2. 

Phasic (transient) application vs. bath application: Most data depended on 

experiments with bath applications, which may correspond to  prolonged, 

tonic mAChR stimulation. The ACh release accompanied with attentions, 

etc., would better correspond to a transient puff application as the authors’ 

experiment. 

 

The specificity of ACh afferents on postsynaptic targets was already noted. [29]. 

Pre-synaptic Modulations

 

Experimental works on pre-synaptic modulations are mostly based on ACh bath 

applications, and the modulation data were measured in terms of local field potentials 

(LFP). Most results claimed the pathway specificity of modulations. Typically, it was 

concluded that muscarinic modulation can strongly suppress intracortical(IC) synaptic 

activity  while exerting less suppression, or actually enhancing, thalamocortical (TC) 

inputs. [14]. Gil et al. [9] reported that 5 

μ

M muscarine decreases both IC and TC 

pathway transmission, and that those data were presynaptic effects, since membrane 

potential and input resistance were unchanged. 

Recently, Kuczewski et al. [18] studied the same problem, and obtained different 

results from the previous ones. Low ACh (less than 100 

μ

M) shows facilitation, and 

as ACh concentration goes high, the result is depression. This is true for the both IC 

and TC pathways, i.e., for the layer 2/3 and layer 4. 

3.3   Possible Scenarios 

The lack of consistent experimental data makes our job complicated. The situation 

might be compared to playing a jigsaw puzzle with, many pieces missing and some 

pieces mingled from other jigsaw pictures. What we can do at this moment may be to 

propose possible alternatives of scenarios for the role of the corticopetal ACh.

 

 Corticopetal Acetylcholine: Possible Scenarios on the Role for Dynamic Organization 

175 

The following are the list of prerequisites and evidences on which our arguments 

should be based.

 

1. 

Two modulations may occur simultaneously inside the 6 layers of the cortex. 

The firing characteristics of individual neurons, and the strength of synaptic 

connections may change dynamically either as post-synaptic or pre-synaptic 

modulations. Virtually no models, to our knowledge, have been proposed, 

which took the net effects of the two modulations into account.  

2. 

The interaction of ACh with top-down glutamatergic spike volleys should be 

considered. The majority of neurons alter in response to combined exposure 

to both acetylcholine and glutamate concomitantly. (Perry & Perry [24].)  

3. 

As a post-synaptic influence, ACh release may change the firing regime of 

neurons, and induce gamma oscillation [6], [23], [31].  

As to pre-synaptic modulations, the details of synaptic processes appear to be 

largely unknown. The significance of experimental studies can not be over-

emphasized.  

Now let us try to draw a dessin for possible scenarios on the role of corticopetal 

ACh. Here we may put three corner stones for the models:  

1. 

Who triggers the gamma oscillation?  

2. 

Who (and how to) modulates the effective connectivity?  

3. 

What is the mechanism of phase synchrony and what is the role of it? 

Scenario I 

The basic idea is that in the default, low level state of ACh, globally organized 

attractors do not virtually exist, and may take the form of floating fragmentary 

dynamics. Then, ACh release may help to strengthen the synaptic connections pre-

synaptically. One of the roles of post-synaptic modulation is to start up the gamma 

oscillation. (Here the influence of GABAergic projections from NBM might play a 

role.) Another, but important role will be stated later. 

Scenario II 

The effective modulation of synaptic connectivity might be carried by, rather than the 

pre-synaptic modulation, the phase synchrony of the gamma oscillation itself which is 

triggered by the post-synaptic modulation. Such a mechanism for the change of 

synaptic connectivity, and resulting binding of fragmentary groups of neurons was 

proposed by Womelsdorf et al. [32]. They claimed that the mutual influence among 

neuronal groups depends on the phase relation between rhythmic activities within the 

groups. Phase relations supporting interactions among the groups preceded those 

interactions by a few milliseconds, consistent with a mechanistic role. See, also 

Buzsaki [3]. 

For the case of Scenario II, the role of the post-synaptic modulation is to start up 

the gamma oscillation, and the reset of its phase, as Gulledge and Stuart [11] 

suggested. The transient hyper-polarization may play the role of referee to start up the 

oscillation among the related groups in unison.

 

The Scenario I makes the post-

synaptic modulation carry the two roles of starting up the gamma oscillation, and 

176 

H. Fujii, K. Aihara, and I. Tsuda 

resetting its phase. For the pre-synaptic modulation a bigger role of realization of 

attractors by virtue of synaptic strength modulation is assigned.

 

4   Concluding Discussions 

The critical role of the corticopetal ACh in cognitive functions, together with its 

relation to some disease-related symptoms as complex visual hallucinations in DLB, 

and its apparent involvements in the neocortical state change have motivated us to the 

study of the functional role(s) of the corticopetal ACh from dynamical systems 

standpoints.  

Cognitive functions are phenomena carried by the brain dynamics. We hope that 

understanding the cognitive dynamics with the dynamical systems language would 

open new theoretical horizons.  

It is of some help to consider the conceptual difference of the two “forces” which 

flow into the 6 layers of the neocortex. Glutamate spike volleys could be, if viewed as 

an event in a dynamical system, an external force, which may kick the orbit to another 

orbit, and may sometimes to out of the “basin” of the present attractor beyond the 

border – the separatrix. In contrary to this situation, ACh projections – though 

transient, could be regarded as a slow parameter working as a bifurcation parameter 

that modifies the landscape itself. What we are looking at in the preceding arguments 

is that the two phenomena happen concomitantly at the 6 layers of the cortex. 

Hasselmo and McGaughy  [13] emphasized the ACh role in memory as: “high 

acetylcholine sets circuit dynamics for attention and encoding; low acetylcholine sets 

dynamics for consolidation”, which is based on some experimental data on selective 

pre-synaptic depression and facilitation. However, in view of the potential role of 

attentions in local bindings or global integrations, we may pose alternative (but not 

necessarily exclusive,) scenarios on the ACh function as temporarily modifying the 

quasi-attractor landscape, in collaboration with glutamatergic spike volleys. Rather, 

we speculate that the process of memorization itself would realized through such a 

dynamic formation of attractor ruins, for which mAChR may play a role.