[論文レビュー] Universal Organization of Resting Brain Activity at the Thermodynamic Critical Point

Shan Yu, Hongdian Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2013

Neural dynamics and brain function被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ヒトとサルにおける自発的休息状態脳活動が、神経小胞動態から導かれる普遍的な臨界指数によって示されるように、熱力学的臨界点近くに組織化されていることを示している。脳内電極記録およびMEGを用いて、相転移、発散する感受率および比熱が確認され、有限サイズスケーリングを通じて種間にわたり臨界性が裏付けられた。

ABSTRACT

Thermodynamic criticality describes emergent phenomena in a wide variety of complex systems. In the mammalian brain, the complex dynamics that spontaneously emerge from neuronal interactions have been characterized as neuronal avalanches, a form of critical branching dynamics. Here, we show that neuronal avalanches also reflect that the brain dynamics are organized close to a thermodynamic critical point. We recorded spontaneous cortical activity in monkeys and humans at rest using high-density intracranial microelectrode arrays and magnetoencephalography, respectively. By numerically changing a control parameter equivalent to thermodynamic temperature, we observed typical critical behavior in cortical activities near the actual physiological condition, including the phase transition of an order parameter, as well as the divergence of susceptibility and specific heat. Finite-size scaling of these quantities allowed us to derive robust critical exponents highly consistent across monkey and humans that uncover a distinct, yet universal organization of brain dynamics.

研究の動機と目的

• 霊長類における自発的脳活動が熱力学的臨界点近くで動作しているかどうかを調査すること。
• 休息状態脳活動における臨界的挙動が、特にヒトとサルを含め、種を超えて普遍的であるかどうかを特定すること。
• 神経活動指標の有限サイズスケーリングを通じて、普遍的な臨界指数を同定すること。
• 神経小胞動態と皮質ネットワークにおける熱力学的相転移を結びつけること。

提案手法

• サルの自発的皮質活動を高密度脳内マイクロエレクトロードアレイを用いて記録した。
• ヒトの休息状態脳活動をマグネトエンセファログラフィ（MEG）を用いて記録した。
• 熱力学的温度に類似した制御パラメータを数値的に変化させ、臨界的挙動を調査した。
• 順序パラメータを用いて相転移を特定し、感受率および比熱を計算して発散を検出した。
• 有限サイズスケーリング解析を適用し、種間にわたる強固な臨界指数を抽出した。
• 神経小胞サイズおよび持続時間の分布を分析することで、臨界的ダイナミクスを特徴づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒトとサルにおける自発的脳活動は、熱力学的臨界点近くに組織化されているか？
• RQ2 休息状態脳活動における神経小胞は、種を超えて普遍的な臨界指数を示すか？
• RQ3 神経系において感受率および比熱の発散を通じて臨界的挙動を検出できるか？
• RQ4 異なる皮質領域および種において、有限サイズスケーリングのもとで観察された臨界性は頑健か？
• RQ5 順序パラメータは、休息状態脳活動ダイナミクスにおける相転移を特定する上で果たす役割は何か？

主な発見

• サルおよびヒトの両方における神経小胞は、熱力学的相転移と整合的な臨界的挙動を示している。
• 生理的条件下で感受率および比熱が発散しており、臨界性が裏付けられている。
• 有限サイズスケーリングにより、種を超えてデータが統合され、強固で普遍的な臨界指数が明らかになった。
• ヒトとサルのデータから導かれた臨界指数は非常に一貫しており、普遍性が支持された。
• 順序パラメータは生理的条件下で明確な相転移を示し、臨界性が確認された。
• システムのダイナミクスは臨界点近くに組織化されており、最適な情報処理と安定性を示唆している。