[论文解读] Universal Organization of Resting Brain Activity at the Thermodynamic Critical Point
本研究表明，人类和猴子的自发静息态脑活动在热力学临界点附近组织，其证据来自神经元雪崩动力学的普遍临界指数。通过颅内记录和MEG，作者展示了相变、发散的磁化率和比热，通过有限尺寸标度证实了跨物种的临界性。
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.
研究动机与目标
- 研究灵长类动物的自发脑活动是否在热力学临界点附近运行。
- 确定静息态脑活动中的临界行为是否在物种间具有普遍性，特别是人类和猴子。
- 通过神经活动度量的有限尺寸标度，识别普遍临界指数。
- 将神经元雪崩动力学与皮层网络中的热力学相变联系起来。
提出的方法
- 使用高密度颅内微电极阵列记录猴子的自发皮层活动。
- 采用脑磁图（MEG）记录人类的静息态脑活动。
- 通过数值调节一个类似于热力学温度的控制参数，探测临界行为。
- 通过序参量识别相变，计算磁化率和比热以检测发散。
- 应用有限尺寸标度分析，提取跨物种的稳健临界指数。
- 通过分析神经元雪崩大小和持续时间分布，表征临界动力学。
实验结果
研究问题
- RQ1人类和猴子的自发脑活动是否在热力学临界点附近组织？
- RQ2静息态脑活动中的神经元雪崩在不同物种间是否表现出普遍临界指数？
- RQ3是否能通过神经系统中磁化率和比热的发散来检测临界行为？
- RQ4在不同皮层区域和物种间，观察到的临界性在有限尺寸标度下是否稳健？
- RQ5序参量在识别静息态脑活动相变中的作用是什么？
主要发现
- 猴子和人类的神经元雪崩均表现出与热力学相变一致的临界行为。
- 在生理条件附近，磁化率和比热发散，表明存在临界性。
- 有限尺寸标度使跨物种数据实现统一，揭示了稳健且普遍的临界指数。
- 人类和猴子数据得出的临界指数高度一致，支持普遍性。
- 序参量在生理条件下显示出明显的相变，证实了临界性。
- 系统的动力学组织在临界点附近，表明具有最优的信息处理能力和稳定性。
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