[論文レビュー] No evidence that epilepsy impacts criticality in pre-seizure single-neuron activity of human cortex

Annika Hagemann, Jens Wilting+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Neural dynamics and brain function被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、てんかんがヒト皮質単一ニューロン活動における臨界性（相転移に近い動的安定性）をどのように変化させるかを調査する。20名のてんかん患者の記録を用いて、新しい偏りのない推定器を適用した結果、てんかん性皮質が不安定性に近づいている、あるいは発作前にその方向へずれ込む証拠は得られなかった。代わりに、発作前および発作なしの状態の両方が、健康な哺乳類皮質と同様に安定的でわずかに臨界より下位の状態に保たれていることが示された。

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.

研究の動機と目的

• てんかん性皮質領域が非てんかん領域と比較して、不安定性（臨界性）に近いかどうかを特定すること。
• てんかん性皮質において、発作前のダイナミクスに不安定性への系統的ずれが見られるかどうかを調査すること。
• てんかん患者の発作なし間隔中に、安定的ダイナミクスが維持されているかどうかを評価すること。
• ヒト記録からの小規模なニューロン集団から臨界性を推定するための偏りのない推定器の開発と適用すること。

提案手法

• 20名のてんかん患者から、焦点性（てんかん巣巣性）および非焦点性皮質領域の単一ニューロンスパイク記録を収集した。
• 限られたニューロンデータから動的状態を推定するための、新しい偏りのない臨界性距離推定器を適用した。
• 臨界性理論を用いて不安定性からの距離を定量化し、安定性の代理指標として、臨界より下位の状態に注目した。
• 発作前および発作なしの間隔を分析し、時間的および皮質領域ごとの動的状態を比較した。
• 統計的推論を用いて、臨界性からの逸脱が有意であるか、系統的であるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 てんかん性皮質領域は、非てんかん領域と比較して、不安定性に近い状態にあると予想されるか？
• RQ2 てんかん性皮質において、発作前の期間に不安定性への系統的ずれが観察されるか？
• RQ3 てんかん患者の発作なし間隔は、安定性および臨界より下位の状態と整合する動的状態を示すか？
• RQ4 ヒト脳内記録から、小規模なニューロン集団からの臨界性を信頼性高く推定できるか？

主な発見

• 焦点性および非焦点性皮質領域間で不安定性からの距離に有意差は認められず、てんかん組織に一般に不安定性への傾向があるとは示されなかった。
• 発作前の期間に、不安定性への系統的ずれは観察されず、発作がネットワークダイナミクスの進行的不安定化から生じるわけではないことが示唆された。
• 発作前および発作なしの間隔の両方が、安定的でわずかに臨界より下位の状態に一貫して位置しており、強固な動的安定性が保たれていることが示された。
• 新開発の推定器は、小規模なニューロンサンプルからの臨界性の偏りのない推定に成功し、ヒト脳内記録への応用が有効であることを支持した。
• 結果から、繰り返し発作があっても、ヒトてんかん性皮質は健康な哺乳類新皮質と同等の安定的動的状態を維持していることが示唆された。