[論文レビュー] Dynamical properties and mechanisms of metastability: a perspective in neuroscience

Kalel L. Rossi, Roberto C. Budzinski+4 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2023

Neural dynamics and brain function被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、非線形力学系理論に基づき、脳の動的挙動における一時的だが長期間にわたる状態として神経ミクロ安定性を定義することにより、神経ミクロ安定性の統一的で文脈に依存しないフレームワークを提案する。ミクロ安定性を可能にする一般的な力学的原理は、位相空間における吸引的および反発的方向の共存であり、多様な実験的観察を統合し、理論的分析とシミュレーションを通じて新たなメカニズムを明らかにする。

ABSTRACT

Metastability, characterized by a variability of regimes in time, is a ubiquitous type of neural dynamics. It has been formulated in many different ways in the neuroscience literature, however, which may cause some confusion. In this Perspective, we discuss metastability from the point of view of dynamical systems theory. We extract from the literature a very simple but general definition through the concept of metastable regimes as long-lived but transient epochs of activity with unique dynamical properties. This definition serves as an umbrella term that encompasses formulations from other works, and readily connects to concepts from dynamical systems theory. This allows us to examine general dynamical properties of metastable regimes, propose in a didactic manner several dynamics-based mechanisms that generate them, and discuss a theoretical tool to characterize them quantitatively. This perspective leads to insights that help to address issues debated in the literature and also suggest pathways for future research.

研究の動機と目的

• 神経科学におけるミクロ安定性の統一的定義の欠如に応えること。現在の定義は文脈に依存した形式に依存している。
• 神経活動における一時的だが長期間にわたる状態として、文脈に依存しない一般的定義を確立すること。
• 非線形系理論を用いて、ミクロ安定性の背後にある普遍的な力学的原理を導出すること。
• この原理を通じて実装される既知および新規のメカニズムを特定・分類すること。
• このフレームワークに基づき、脳の動的挙動のための予測的・制御的ツールの開発を可能にすること。

提案手法

• 神経活動における一時的だが長期間にわたる状態の存在としてミクロ安定性を定義し、多様な実験データに適用可能であることを示す。
• 非線形力学系理論を用いて、核心的原理である位相空間における吸引的および反発的方向の共存を同定する。
• 数値シミュレーションを用いて、5つの異なる力学的メカニズム（ノイズを含む二安定系、ヘテロクリニックサイクル、アトラクタ合体の臨界現象、タイプIの間欠性、カオス的サドル）を分析する。
• Juliaを用いた計算ツール（DifferentialEquations.jl, DynamicalSystems.jl, Makie.jl）を活用し、シミュレーションと可視化を行う。
• 既知の神経現象（例：EEGマイクロステート、UP/DOWN状態）をこの統一的構造内での特定のメカニズムにマッピングすることで、フレームワークの妥当性を検証する。
• 既知の力学系挙動を拡張することで、ミクロ安定遷移を説明する新たなメカニズムを導出する。

Figure 1: Brain activity typically evolves as a sequence of well-defined states that are transient but long lived. The panels illustrate important observations taken from the literature, namely EEG microstates [ 5 ] , hidden Markov states of firing rates [ 12 ] , UP and DOWN states [ 15 ] , cortical

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な神経系においてミクロ安定性を支える一般的力学的原理は何か？
• RQ2 既存の実験的観察を統合できる文脈に依存しない方法でミクロ安定性を定義できるか？
• RQ3 既知の力学的メカニズムのうち、どのものが神経ミクロ安定状態にマッピング可能であり、一般原理からどの新たなメカニズムを導出できるか？
• RQ4 提示されたフレームワークは、実験的に検証可能かつ反証可能な仮説を脳の動的挙動について生成できるか？
• RQ5 位相空間における吸引と反発の相互作用によって、一時的だが長期間にわたる状態はどのように生成されるか？

主な発見

• このフレームワークは、ミクロ安定性を一時的だが長期間にわたる状態として定義し、EEGマイクロステート、UP/DOWN状態、皮質波など、多様な神経現象を同一の定義で統合する。
• 核心的力学的原理は、位相空間における吸引的および反発的方向の共存であり、システムが長期間にわたりある状態に留まり、その後遷移するのを可能にする。
• ノイズを含む二安定系（ノイズ付きダフィング発振子）は、ポテンシャル井戸からのノイズ駆動による脱出によって、二つの状態間のミクロ安定遷移を正確に再現する。
• ニューロン集団のレートモデルにおけるヘテロクリニックサイクルは、順次的状態遷移を生成し、皮質波伝播などに観察された神経動態と一致する。
• アトラクタ合体の臨界現象とタイプIの間欠性は、分岐誘発遷移を通じてミクロ安定挙動を示し、明確な位相空間的特徴を持つことが示された。
• カオス的サドルは、ミクロ安定性の新規メカニズムとして同定され、軌道が不安定多様体の周辺に長期間にわたり留まり、その後脱出するため、長期間にわたる一時的状態を説明できる。

Figure 2: Formulations of metastability in the neuroscience literature. A common theme among these is the presence of transitions between certain aspects of the system’s dynamics (e.g., between activity patterns). The upper part of the figure illustrates what these aspects are in each definition, an