[論文レビュー] Physics of Psychophysics: Dynamic Range of Excitable Networks is Optimized at Criticality

Osame Kinouchi, Mauro Copelli|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2006

Neural dynamics and brain function被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、非平衡相転移を経験する臨界状態において、活性化可能な神経ネットワークが最大のダイナミックレンジと感度を達成することを示している。ギャップジャンクションによる電気的結合をモデル化することで、研究は臨界状態が複数のオーダーの大きさにわたる情報符号化を最適化することを示し、心理物理学的法則の生体物理学的基盤を提供するとともに、感覚系における同期の機能的役割を説明している。

ABSTRACT

A recurrent idea in the study of complex systems is that optimal information processing is to be found near bifurcation points or phase transitions. However, this heuristic hypothesis has few (if any) concrete realizations where a standard and biologically relevant quantity is optimized at criticality. Here we give a clear example of such a phenomenon: a network of excitable elements has its sensitivity and dynamic range maximized at the critical point of a non-equilibrium phase transition. Our results are compatible with the essential role of gap junctions in olfactory glomeruli and retinal ganglionar cell output. Synchronization and global oscillations also appear in the network dynamics. We propose that the main functional role of electrical coupling is to provide an enhancement of dynamic range, therefore allowing the coding of information spanning several orders of magnitude. The mechanism could provide a microscopic neural basis for psychophysical laws.

研究の動機と目的

• 臨界状態が情報処理、特にダイナミックレンジと感度を最適化するかどうかを調査すること。
• オlfactory glomeruli や視床神経節細胞のような感覚処理ネットワークにおけるギャップジャンクションによる電気的結合の機能的役割を明らかにすること。
• 臨界状態が神経動態における同期とグローバルな振動の出現を説明できるかどうかを特定すること。
• 神経ネットワークの臨界状態と知覚を支配する心理物理学的法則との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 動的しきい値と確率的発火ルールを有する活性化要素の再帰的ネットワークをモデル化すること。
• ギャップジャンクションを通じた電気的結合を組み込み、直接的な細胞間コミュニケーションを模擬すること。
• 異なる結合強度におけるネットワーク行動を分析し、非平衡相転移の臨界点を同定すること。
• ネットワーク全体における最大入力信号と最小入力信号の比としてダイナミックレンジを測定すること。
• 相互相関とパワースペクトル解析を用いて同期とグローバルな振動を追跡すること。
• 平均場近似と有限サイズスケーリングを用いて、相転移付近での臨界行動を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 活性化可能なネットワークのダイナミックレンジは、臨界状態で最大に達するか？
• RQ2 ギャップジャンクションによる電気的結合は、ネットワークの感度と情報符号化能力にどのように影響するか？
• RQ3 臨界状態とグローバルな振動および同期の出現との関係は何か？
• RQ4 神経ネットワークの臨界状態が、ウェーバ＝フェヒナーの法則やステンスの累乗則などの心理物理学的法則を説明できるか？

主な発見

• 活性化可能なネットワークのダイナミックレンジは、非平衡相転移の臨界点で正確に最大に達する。
• 弱い入力に対する感度は臨界状態で顕著に向上し、複数のオーダーの大きさにわたる検出が可能になる。
• ギャップジャンクションによる電気的結合は、高いダイナミックレンジを達成し、ネットワーク全体での同期を促進するために不可欠である。
• グローバルな振動は臨界状態で強く出現し、時間的符号化と信号統合における機能的役割を示唆する。
• ネットワークの臨界行動は心理物理学的法則と整合的であり、知覚スケーリングの神経的基盤となる可能性がある。
• モデルは、オlfactory glomeruli や視床神経節細胞のような生物学的ネットワークが感覚符号化を最適化するために臨界状態近くで動作すると予測している。