[論文レビュー] Emergence of localized persistent weakly-evanescent cortical brain wave loops

V. L. Galinsky, Lawrence R. Frank|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2019

Functional Brain Connectivity Studies参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、神経線路による結合に依存せず、組織の不均一性と異方性によって駆動される、脳の折りたたまれた新皮質において局在的で持続的で弱く減衰する皮質波ループの出現を説明する物理的メカニズムを提案する。MRIを用いて得られたパラメータを用いた全脳シミュレーションにより、神経線路や皮質勾配の両方に直交する方向に進行するこれらの波モードが、アクチオン・ポテンシャルよりもはるかに長く持続可能であることが示され、シナプス経路に依存しない持続的脳活動および記憶に類似したダイナミクスの新たな物理的基盤が提示される。

ABSTRACT

An inhomogeneous anisotropic physical model of the brain cortex is presented that predicts the emergence of non--evanescent (weakly damped) wave--like modes propagating in the thin cortex layers transverse to both the mean neural fiber direction and to the cortex spatial gradient. Although the amplitude of these modes stays below the typically observed axon spiking potential, the lifetime of these modes may significantly exceed the spiking potential inverse decay constant. Full brain numerical simulations based on parameters extracted from diffusion and structural MRI confirm the existence and extended duration of these wave modes. Contrary to the commonly agreed paradigm that the neural fibers determine the pathways for signal propagation in the brain, the signal propagation due to the cortex wave modes in the highly folded areas will exhibit no apparent correlation with the fiber directions. The results are consistent with numerous recent experimental animal and human brain studies demonstrating the existence electrostatic field activity in the form of traveling waves (including studies where neuronal connections were severed) and with wave loop induced peaks observed in EEG spectra. The localization and persistence of these cortical wave modes has significant implications in particular for neuroimaging methods that detect electromagnetic physiological activity, such as EEG and MEG, and for the understanding of brain activity in general, including mechanisms of memory.

研究の動機と目的

• 神経線路のトラクトが脳信号伝播の主要経路であるという支配的仮説に挑戦すること。
• 皮質層における不均一で異方的な組織特性が、長期間にわたる局在的波モードを支えるかどうかを調査すること。
• これらの波モードが、軸索的結合やシナプス伝達に依存せずに発生・持続可能かどうかを示すこと。
• 実験的に観察された電気脳波（EEG/MEG）およびin vitro研究における進行波や波ループを説明する物理的モデルを提供すること。
• 物理的組織特性と電磁波挙動を統合した、脳のダイナミクスと記憶を理解するための新しい枠組みを提示すること。

提案手法

• 組織の不均一性と異方性を組み込んだ、基本的物理原則から導かれた皮質波分散関係を導出する。
• 1次元および2次元の異方的モデルを用いて、位相速度および群速度を含む波動伝播特性を分析する。
• 拡散および構造的MRIデータを用いて、不均一性および異方性テンソルを抽出することで、現実的な全脳モデルを構築する。
• トラクタグラフィーから得られた異方性テンソルと位置に依存しない電導度モデルを適用し、波動ダイナミクスをシミュレートする。
• 球殻型および患者特異的皮質折りたたみ幾何構造を用いた数値シミュレーションにより、波ループの形成を観察する。
• シミュレートされた波スペクトルおよび伝播パターンを、実際のEEGデータおよび実験的波ループ観察結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大脳皮質における不均一で異方的な組織特性が、長期間にわたる非減衰的波モードを支えることができるか？
• RQ2 これらの波モードは、神経線路の方向および皮質折りたたみ勾配の両方に直交して伝播するか？
• RQ3 このような波モードが、アクチオン・ポテンシャルの減衰時間よりも顕著に長く持続可能か？
• RQ4 シナプス的・軸索的結合が存在しない状況でも、波ループ形成の物理的メカニズムが存在するか？
• RQ5 MRIから得られる組織パラメータが、これらの波パターンの出現および安定性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 神経線路の直接的結合がなくても、組織の不均一性と異方性の相互作用によって、局在的で持続的な波ループが皮質層に出現する。
• 波モードの持続時間が、通常のアクチオン・ポテンシャルの逆減衰定数よりも顕著に長く、記憶に類似した持続性を示唆する。
• 実際のMRI由来の皮質幾何構造および組織特性を用いたシミュレーションにより、ヒトおよび動物研究で観察された実験的グローバル回転パターンと一致する波ループパターンが再現された。
• 波の伝播は、平均的な神経線路方向および皮質折りたたみ勾配の両方に直交しており、信号伝播が軸索トラクトに従うという仮定に反する。
• シミュレーションから得られた波スペクトルおよび位相速度は、特にトーラおよびガンマ周波数帯における観察されたEEG波活動と整合する。
• 本モデルは、神経組織の物理的分離後でも自己駆動型波動活動が観察される現象（in vitro）を説明でき、内因性電場駆動伝播と整合的である。