[논문 리뷰] Emergence of localized persistent weakly-evanescent cortical brain wave loops

V. L. Galinsky, Lawrence R. Frank|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 24.

Functional Brain Connectivity Studies참고 문헌 48인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 뇌의 주름진 neocortex에서 국소적이고 지속적이며 약하게 감쇠되는 피질 파동 고리가 신경 회로망이 아닌 조직의 비균질성과 이방성에 의해 유도되는 물리적 메커니즘을 제안한다. MRI 유도 매개변수를 활용한 전뇌 시뮬레이션을 통해 이러한 파동 모드—신경 섬유와 피질 기울기 양쪽에 수직인 방향으로 전파되는 파동—이 작동 전위보다 훨씬 오래 지속될 수 있음을 입증하며, 시냅스 경로에 의존하지 않는 지속적인 뇌 활동과 기억 유사 동역학의 새로운 물리적 기반을 제시한다.

ABSTRACT

An inhomogeneous anisotropic physical model of the brain cortex is presented that predicts the emergence of non--evanescent (weakly damped) wave--like modes propagating in the thin cortex layers transverse to both the mean neural fiber direction and to the cortex spatial gradient. Although the amplitude of these modes stays below the typically observed axon spiking potential, the lifetime of these modes may significantly exceed the spiking potential inverse decay constant. Full brain numerical simulations based on parameters extracted from diffusion and structural MRI confirm the existence and extended duration of these wave modes. Contrary to the commonly agreed paradigm that the neural fibers determine the pathways for signal propagation in the brain, the signal propagation due to the cortex wave modes in the highly folded areas will exhibit no apparent correlation with the fiber directions. The results are consistent with numerous recent experimental animal and human brain studies demonstrating the existence electrostatic field activity in the form of traveling waves (including studies where neuronal connections were severed) and with wave loop induced peaks observed in EEG spectra. The localization and persistence of these cortical wave modes has significant implications in particular for neuroimaging methods that detect electromagnetic physiological activity, such as EEG and MEG, and for the understanding of brain activity in general, including mechanisms of memory.

연구 동기 및 목표

• 신경 섬유 트랙이 뇌 신호 전파의 주요 경로라는 지배적인 개념을 도전한다.
• 피질층 내 비균일성과 이방성 조직 특성이 장수명이고 국소적인 파동 모드를 지지할 수 있는지 조사한다.
• 이러한 파동 모드가 축삭 연결성 또는 시냅스 전달에 의존하지 않고도 발생하고 지속될 수 있음을 입증한다.
• 실제로 관찰된 전기생리학적 파동과 파동 고리(EEG/MEG 및 in vitro 연구에서 관찰됨)를 설명하는 물리적 모델을 제공한다.
• 물리적 조직 특성과 전자기파 행동을 통합하여 뇌 동역학과 기억을 이해하는 데 새로운 프레임워크를 제시한다.

제안 방법

• 조직의 비균일성과 이방성을 포함한 기본 물리 원리로부터 피질 파동 분산 관계를 유도한다.
• 1D 및 2D 이방성 모델을 사용하여 위상 및 군속도를 포함한 파동 전파 특성 분석을 수행한다.
• 확산 및 구조적 MRI 데이터를 활용해 비균일성과 이방성 텐서를 추출함으로써 현실적인 전뇌 모델을 구축한다.
• 트랙토그라피 유도 이방성 텐서와 위치에 독립적인 도전도 모델을 적용하여 파동 동역학을 시뮬레이션한다.
• 구형 셸 및 환자별 맞춤 피질 주름 기하학 구조에서 수치 시뮬레이션을 수행하여 파동 고리 형성 여부를 관찰한다.
• 모의 파동 스펙트럼과 전파 패tern을 실제 EEG 데이터 및 실험적 파동 고리 관찰 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뇌 피질 내 비균일성과 이방성 조직 특성이 장수명이고 소멸하지 않는 파동 모드를 지지할 수 있는가?
• RQ2 이러한 파동 모드는 신경 섬유 방향과 피질 주름 기울기 양쪽에 수직으로 전파되는가?
• RQ3 이러한 파동 모드가 작동 전위의 감쇠 시간보다 현저히 오래 지속될 수 있는가?
• RQ4 시냅스 또는 축삭 연결성이 없는 상황에서 파동 고리 형성에 대한 물리적 메커니즘이 존재하는가?
• RQ5 MRI 유도 조직 매개변수는 이러한 파동 패턴의 발생과 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비균일성과 이방성의 상호작용으로 인해 직접적인 신경 경로 없이도 피질 층 내에서 국소적이고 지속적인 파동 고리가 발생한다.
• 파동 모드의 수명은 일반적인 작동 전위의 역감쇠 상수보다 현저히 길며, 기억 유사 지속성의 가능성을 시사한다.
• 실제 MRI 유도 피질 기하학과 조직 특성을 사용한 시뮬레이션은 인간 및 동물 연구에서 관찰된 전반적 회전 패턴과 일치하는 파동 고리 패턴을 재현한다.
• 파동 전파 방향은 평균 신경 섬유 방향과 피질 주름 기울기 양쪽에 수직이며, 신호 흐름이 축삭 트랙을 따라 이동한다는 가정과 정면으로 배치된다.
• 모의 파동 스펙트럼과 위상 속도는 특히 테타 및 감마 주파수 대역에서 관측된 EEG 파동 활동과 일치한다.
• 실제로 신경 조직이 물리적으로 분리된 이후에도 자가 전파 파동 활동이 관찰되는 것을 모델이 설명하며, 내재된 전기장에 의해 유도되는 전파와 일치한다.