[論文レビュー] Brain temperature: what it means and what it can do for (cognitive) neuroscientists

David Papo|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2013

Neural dynamics and brain function参考文献 99被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、脳温が単一のニューロンから認知レベルの脳動態に至るスケールにわたり、神経活動に影響を与える重要なが過小評価されているパラメータであると提唱する。本稿では、脳温を神経動態の調節要因として位置づけ、非侵襲的研究において直接的な温度制御や測定が不可能な状況において、神経画像法データの解釈のための集団変数としての可能性を提示する。

ABSTRACT

The effects of temperature on various aspects of neural activity from single cell to neural circuit level have long been known. However, how temperature affects the system-level of activity typical of experiments using non-invasive imaging techniques, such as magnetic brain imaging of electroencephalography, where neither its direct measurement nor its manipulation are possible, is essentially unknown. Starting from its basic physical definition, we discuss possible ways in which temperature may be used both as a parameter controlling the evolution of other variables through which brain activity is observed, and as a collective variable describing brain activity. These two aspects are further illustrated in the case of learning-related brain activity. Finally, methods to extract a temperature from experimental data are reviewed.

研究の動機と目的

• 単一のニューロンから大規模な脳ネットワークに至るスケールにわたり、脳温が神経活動に与える影響を解明すること。
• 直接的に測定または操作ができない非侵襲的神経画像法研究において、温度がシステムレベルの脳活動に与える影響を理解するというギャップを埋めること。
• 認知過程中に生じる脳活動のパターンを記述または予測できる集団変数としての温度の可能性を提唱すること。
• 特にfMRIやEEG研究において、間接的実験データから脳温を推定する手法をレビューすること。

提案手法

• 温度の物理的定義から出発し、神経変数の熱力学的制御における温度の役割を確立する。
• 神経回路および脳ネットワークの動態に影響を与える制御パラメータとしての温度を分析する。
• 温度が認知過程中に出現する脳活動のパターンを記述する集団変数として扱えると提唱する。
• fMRIやEEGなどの神経画像法信号から、間接的推定に焦点を当てたデータ駆動型手法をレビューする。
• 学習関連の脳活動にこのフレームワークを適用し、温度が可塑性およびネットワークダイナミクスに与える影響を示す。
• 理論的および計算的推論を用いて、温度と観察可能な神経および認知現象との関連を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非侵襲的神経画像法の枠組みにおいて、脳温はシステムレベルの神経活動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 fMRIやEEGデータから脳温を推定することは可能か？そのような推定に適した手法は何か？
• RQ3 脳温は認知的タスク中に大規模な脳動態を記述する集団変数として、どのような形で機能するか？
• RQ4 温度の調節は、学習関連の神経活動およびネットワーク再構成にどのように影響を与えるか？
• RQ5 神経システムモデリングにおいて温度を制御パラメータとして扱う場合の理論的および実用的意義は何か？

主な発見

• 脳温は、イオンチャネルから大規模な脳ネットワークに至るスケールにわたり、神経動態の主要な調節要因として機能する。
• 温度は、特に認知過程中に出現する脳活動のパターンを記述する集団変数として概念化できる。
• fMRIやEEG信号からの脳温の間接的推定は実現可能であり、fMRIやEEG信号の解釈を高めうる。
• 本稿は、非侵襲的研究において温度がシステムレベルの脳活動に与える影響を理解するという顕著な研究ギャップを特定した。
• 学習関連の脳活動は、神経モデルに動的制御パラメータとして温度を組み込むことで、よりよく理解できる可能性がある。
• 理論的枠組みは、温度が脳内のネットワーク安定性、可塑性、情報処理に影響を与えることを示唆している。