[논문 리뷰] Universal Organization of Resting Brain Activity at the Thermodynamic Critical Point

Shan Yu, Hongdian Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 12.

Neural dynamics and brain function인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 인간과 원숭이의 자율적인 휴식 상태 뇌 활동이 열역학적 임계점 근처에 조직화되어 있음을 보여주며, 신경 세포 폭발 동역학으로부터 유도된 보편적인 임계 지수로 이를 뒷받침한다. 뇌내 전기 기록 및 MEG를 통해 저자들은 상전이, 증가하는 감도 및 특별한 열용량을 관찰하여 유한한 크기의 스케일링을 통해 종간에 걸쳐 임계성이 확인된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 영장류의 자율적 뇌 활동이 열역학적 임계점 근처에서 작동하는지 조사하기.
• 휴식 상태 뇌 동역학에서의 임계 행동이 인간과 원숭이를 포함한 다양한 종 간에 보편적인지 확인하기.
• 신경 활동 지표의 유한 크기 스케일링을 통해 보편적인 임계 지수를 특정하기.
• 신경 세포 폭발 동역학을 고유한 피질 네트워크의 열역학적 상전이와 연결하기.

제안 방법

• 고밀도 뇌내 전기 미세전극 어레이를 사용하여 원숭이의 자율적 피질 활동을 기록하였다.
• 자기뇌전도측정법(MEG)을 사용하여 인간의 휴식 상태 뇌 활동을 기록하였다.
• 열역학적 온도에 해당하는 제어 변수를 수치적으로 변화시켜 임계 행동을 탐색하였다.
• 질서 매개변수를 통해 상전이를 식별하였으며, 감도 및 특별한 열용량을 계산하여 발산 여부를 확인하였다.
• 유한 크기 스케일링 분석을 적용하여 종 간에 강건한 임계 지수를 추출하였다.
• 신경 세포 폭발 크기 및 지속 시간 분포 분석을 통해 임계 동역학을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간과 원숭이의 자율적 뇌 활동은 열역학적 임계점 근처에 조직화되어 있는가?
• RQ2 휴식 상태 뇌 활동에서의 신경 세포 폭발이 종 간에 보편적인 임계 지수를 나타내는가?
• RQ3 감도 및 특별한 열용량의 발산을 통해 신경 시스템에서 임계 행동을 감지할 수 있는가?
• RQ4 다른 피질 영역과 종 간에 유한 크기 스케일링 하에서 관찰된 임계성이 견고한가?
• RQ5 질서 매개변수는 휴식 상태 뇌 동역학에서 상전이를 식별하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 원숭이와 인간의 모두에서 신경 세포 폭발은 열역학적 상전이와 일치하는 임계 행동을 나타낸다.
• 생리적 조건 근처에서 감도 및 특별한 열용량이 발산하여 임계성을 확인한다.
• 유한 크기 스케일링을 통해 종 간 데이터가 수렴되며, 강건하고 보편적인 임계 지수를 드러낸다.
• 인간과 원숭이 데이터에서 유도된 임계 지수는 매우 일관되며 보편성을 뒷받침한다.
• 질서 매개변수는 생리적 조건에서 명확한 상전이를 보이며 임계성을 확인한다.
• 시스템의 동역학은 임계점 근처에 조직되어 있어 최적의 정보 처리 및 안정성을 나타낸다.