[논문 리뷰] On the critical signatures of neural activity

Benedetta Mariani, Giorgio Nicoletti외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 11.

Neural dynamics and brain function인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스케일 프리 신경 폭발과 크랙클링 노이즈를 내재된 임계성과 조화시키기 위해 주요 메커니즘으로 확률적 유도 상호정보를 도입한 모델링 프레임워크를 제안한다. 다중 어레이 프로브를 통해 확보한 쥐 피각 데이터를 바탕으로, 외재적 노이즈가 폭발 역학을 이끄는 반면 내재된 상관관계는 임계 상태 조직을 반영함을 입증한다.

ABSTRACT

The critical brain hypothesis has emerged as an attractive framework to understand the functional implications of the variability in brain activity. However, the mechanisms behind the observed emergent collective neural patterns remain unclear. Here we propose a modeling framework to reconcile apparent contrasting results. We show that the presence of scale-free neuronal avalanches and the associated crackling-noise relation can be explained by the presence of an extrinsic, stochastic-induced mutual information in the system, whereas the intrinsic spatial correlation structure shows the typical features of systems close to their critical point. We test our results on data obtained from the rat's cortex through state-of-the-art multi-array probes.

연구 동기 및 목표

• 뇌에서 관찰된 스케일 프리 폭발과 임계 상태 서명 간의 모순을 해결하기 위해.
• 외재적 노이즈와 내재된 상관관계가 임계성과 모순되지 않는 방식으로 신경 시스템 내에서 공존하는 방식을 조사하기 위해.
• 기대되는 집단적 뉴런 패턴과 그 기능적 함의를 설명하는 모델링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 고해상도 다중 어레이 기록 데이터를 기반으로 모델의 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 신경 집단 활동를 시뮬레이션하기 위해 외재적 노이즈를 통합한 확률적 동역학 모델을 도입한다.
• 외부 노이즈가 뉴런 상관관계에 미치는 영향을 정량화하기 위해 확률적 유도 상호정보의 측도를 유도한다.
• 임계점 근처에서 나타나는 것으로 알려진 내재된 공간적 상관관계 구조를 모델에 통합한다.
• 쥐의 청각 피각에서 확보한 다중 어레이 프로브 데이터를 사용하여 모델 예측을 검증한다.
• 분리된 분석 구성 요소를 통해 노이즈 유도 폭발 역학과 내재된 임계 상관관계를 구분하는 프레임워크를 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스케일 프리 신경 폭발과 크랙클링 노이즈가 임계 시스템의 특징적인 내재된 공간적 상관관계와 어떻게 공존할 수 있는가?
• RQ2 외재적 확률적 노이즈가 신경 집단에서 폭발 역학을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 내재된 상관관계가 노이즈에 의해 유도된 잡음의 산물이 아니라 진정으로 임계성을 반영하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 통합된 모델이 신경 데이터에서 폭발 통계와 임계 상관관계 구조를 모두 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 외재적, 확률적 유도 상호정보는 신경 활동에서 스케일 프리 신경 폭발과 크랙클링 노이즈의 발생을 성공적으로 설명한다.
• 데이터 내 내재된 공간적 상관관계 구조는 임계점 근처의 시스템 특징을 보이며, 임계 뇌 가설을 지지한다.
• 모델은 노이즈 유도 폭발 역학과 내재된 임계 상관관계를 분리하여 이전 연구 결과에서 나타난 명백한 모순을 해결한다.
• 쥐의 신경피질 데이터에 대한 검증을 통해 제안된 프레임워크 하에서 폭발 통계와 임계 상관관계 패턴이 함께 공존함을 확인한다.