[논문 리뷰] No evidence that epilepsy impacts criticality in pre-seizure single-neuron activity of human cortex

Annika Hagemann, Jens Wilting외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 22.

Neural dynamics and brain function인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 간질이 인간 촬영 뇌 신경세포 활동의 임계도—상전이 근처의 동적 안정성—에 영향을 미치는지 조사한다. 20명의 간질 환자 기록에 새로운 비편향 추정기법을 적용한 결과, 간질성 피질이 발작 이전에 불안정성에 더 가까이 있거나 그 방향으로 이격되지 않음을 확인했으며, 오히려 발작 전 및 발작이 없는 상태 모두 안정적이고 약간의 임계 이하 상태를 유지함을 보였다. 이는 건강한 천사류 피질과 유사한 상태이다.

ABSTRACT

Epileptic seizures are characterized by abnormal and excessive neural activity, where cortical network dynamics seem to become unstable. However, most of the time, during seizure-free periods, cortex of epilepsy patients shows perfectly stable dynamics. This raises the question of how recurring instability can arise in the light of this stable default state. In this work, we examine two potential scenarios of seizure generation: (i) epileptic cortical areas might generally operate closer to instability, which would make epilepsy patients generally more susceptible to seizures, or (ii) epileptic cortical areas might drift systematically towards instability before seizure onset. We analyzed single-unit spike recordings from both the epileptogenic (focal) and the nonfocal cortical hemispheres of 20 epilepsy patients. We quantified the distance to instability in the framework of criticality, using a novel estimator, which enables an unbiased inference from a small set of recorded neurons. Surprisingly, we found no evidence for either scenario: Neither did focal areas generally operate closer to instability, nor were seizures preceded by a drift towards instability. In fact, our results from both pre-seizure and seizure-free intervals suggest that despite epilepsy, human cortex operates in the stable, slightly subcritical regime, just like cortex of other healthy mammalians.

연구 동기 및 목표

• 간질성 피질 부위가 비간질 부위보다 불안정성에 더 가까이 위치해 있는지 여부를 규명하는 것.
• 발작 이전의 동적 행동이 간질성 피질에서 불안정성으로의 체계적 이동을 보이는지 조사하는 것.
• 간질성 피질이 발작이 없는 동안에도 안정적인 동적 행동을 유지하는지 평가하는 것.
• 인간 기록에서 소규모 신경세포 집단으로부터 임계도를 비편향적으로 추정하는 방법을 개발하고 적용하는 것.

제안 방법

• 20명의 간질 환자에서 병변 부위(간질 유발성) 및 비병변 부위의 단일 세포 충동 기록을 사용하였다.
• 제한된 신경세포 데이터에서 동적 상태를 유추하기 위해 새로운 비편향 임계도 거리 추정기법을 적용하였다.
• 임계도 이론을 활용해 불안정성까지의 거리를 정량화하였으며, 안정성의 지표로 하위임계 상태를 집중적으로 분석하였다.
• 발작 전 및 발작이 없는 간격을 분석하여 시간과 피질 부위 간의 동적 상태를 비교하였다.
• 편향 여부나 체계적인 변화 여부를 평가하기 위해 통계적 추론을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간질성 피질 부위가 비간질 부위보다 불안정성에 더 가까운 기초적 거리(근접도)를 보이는가?
• RQ2 간질성 피질에서 발작 전 주기 동안 불안정성으로의 체계적 이동이 관찰되는가?
• RQ3 간질 환자에서 발작이 없는 간격 동안 안정성과 하위임계 상태를 유지하는 동적 상태가 관찰되는가?
• RQ4 인간 뇌내 기록에서 소규모 신경세포 집단으로부터 임계도를 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?

주요 결과

• 병변 부위와 비병변 부위 간에 불안정성까지의 거리에 유의미한 차이가 없었으며, 이는 간질성 조직이 일반적으로 불안정성에 기울어져 있지 않음을 시사한다.
• 발작 전 주기 동안 불안정성으로의 체계적 이동이 관찰되지 않아, 발작이 네트워크 동적 행동의 점진적 불안정화에서 기인하지 않음을 시사한다.
• 발작 전 및 발작이 없는 간격 모두 안정적이고 약간의 하위임계 상태에 지속적으로 위치해 있어, 강력한 동적 안정성이 유지됨을 나타낸다.
• 새로운 추정기법이 소규모 신경세포 샘플에서 비편향된 임계도 추론을 가능하게 하여, 인간 뇌내 기록에서의 적용 가능성을 뒷받침한다.
• 결과적으로, 반복적인 발작이 있음에도 불구하고 인간 간질성 피질은 건강한 천사류 neocortex와 유사한 안정된 동적 상태를 유지함을 시사한다.