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[转载]FOP | 前沿研究：神经元雪崩：自组织临界沙堆还是脑波临界动力学?

已有 2393 次阅读 2023-3-23 10:25 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

RESEARCH ARTICLE

Vitaly Galinsky and Lawrence R. Frank, Neuronal avalanches: Sandpiles of self-organized criticality or critical dynamics of brain waves? Frontiers of Physics 18(4), 45301 (2023)

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https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-023-1273-7

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神经元雪崩是什么？它与脑波临界动力学之间有什么关系？最近，一篇名为“Neuronal avalanches: Sandpiles of self-organized criticality or critical dynamics of brain waves?” [Front. Phys. 18(4), 45301 (2023)]的研究文章给出了答案。

什么是神经元雪崩呢？简单来说，它是指大量神经元在时间和空间上相互作用形成复杂网络时所产生的活动。这种活动具有自组织性和临界性质，在不同时间尺度上都能够观察到。而脑波临界动力学则是指脑波活动在不同状态下的临界性质，包括振荡波模式、神经元雪崩和异步尖峰脉冲等。这些状态之间存在着密切的联系，但具体机制一直以来都是一个谜。

Vitaly L. Galinsky和Lawrence R. Frank建立了一种脑组织横向皮层弱消逝波 (WETCOW)传播的新物理理论，该理论描述了以前未发现的波活动，这种波活动可能通过产生连贯大脑活动模式的非线性场相互作用，可导致神经群体的协作行为。这一观点挑战了已有百余年历史的传统观点，即大脑活动仅通过沿神经纤维传播的“尖峰”介导。他们的工作已发表在相关期刊：Phys. Rev. Res. 2, 023061 (2020)、J. Cognitive Neurosci. 32, 2178 (2020)、Phys. Rev. Lett. 126, 158102 (2021)。

在最新的工作中，他们通过分析脑波谱的实验数据，发现了一些有趣的规律，并提出了一种新的理论模型来解释这些规律。此外，他们还研究了弱衰减非线性脑波动力学理论，利用 WETCOW 波活动模型可自然地阐明该现象的物理机制。从非线性振幅/相位演化方程出发，推导出脑行为的时间和空间标度形式，与神经雪崩实验概率谱表现出极好的一致性，不仅再现了临界点附近的一般平均幂律指数值和临界点附近的衰减，而且还发现了一些非常微妙但实验中清晰可见的细节，例如空间功率谱边缘过渡区域中的凸起。

文中的定量理论分析清楚地表明了波动哈密顿理论框架与神经元雪崩动力学具有良好相关性，在这之前人们为了构建脑波的标度指数后面的唯象统计描述，只能将活的脑组织和无生命的松散沙堆做类比，虽然巧妙缺依赖尚失普适性的类比。包括临界现象的起源和神经元雪崩，尽管已经被发现了近20年，在此都可以从同样的非线性波动力学中找到解释，从线性相干传播波到非线性非相干异步尖峰脉冲，以及神经元雪崩的奇特幂律样相干性。以更一般的方式，这些结果可能不仅适用于神经元雪崩，而且适用于涉及波过程的许多其他物理系统，因为它们表明波模式系统通过更一般的波动哈密顿波方程的三阶非线性项，必然会产生具有遵循无标度幂律的时间和空间标度属性的非谐波模式。

这项研究为我们揭示了神经元网络行为与脑波活动之间复杂而又微妙的关系，对于我们深入理解脑波活动和神经元网络行为具有重要意义。它不仅为我们提供了新的理论模型和实验方法，还为未来开展相关研究提供了新思路和方向。本文主题和呈现的结果代表了理解非线性波在塑造一般无标度动力学和特别是神经元雪崩中的作用的范式转变。

如审稿人所说，“作者回顾了他们最近提出的脑电弱消逝波理论，并在一般哈密顿框架中重新表述。该理论是基于电磁场传播的物理学。它可以应用于真实脑组织的非均匀和各向异性区域的高度复杂的几何形状。基于脑电波模式时间和空间演化的一组非线性方程，该理论可用于自然地解释神经元雪崩中的幂律和广泛观察到的大脑活动，例如不连贯的异步空间/时间脉冲事件，时间/空间域中的相干波状传播模式，多个时间或空间模式的共同同步尖峰。这篇论文的意义在于，在不借助沙堆模型的情况下，将大脑活动置于物理学的坚实基础上，具有极大新颖性和重要性。”

“作者利用他们发展的模型，对实验中报告的神经元雪崩的机制进行了详细分析，很好地解释了具有强非线性过程的脑电波传播，并将现象学特性的统计数据与精确的比例定律联系起来。尽管使用了基于脑电波单一模式的简化，但该方法和结果可能会在相关的不同系统中发现广泛的通用性。”

Tianwei Wu, Xinhua Zhang, Zonghua Liu

Frontiers of Physics, 2022, 17(3): 31504

Spiral wave chimeras in populations of oscillators coupled to a slowly varying diffusive environment

Lei Yang, Yuan He, Bing-Wei Li

Frontiers of Physics, 2023, 18(1): 13309

Identify real gravitational wave events in the LIGO-Virgo catalog GWTC-1 and GWTC-2 with convolutional neural network

Meng-Qin Jiang, Nan Yang, Jin Li

Frontiers of Physics, 2022, 17(5): 54501

Entangled chimeras in nonlocally coupled bicomponent phase oscillators: From synchronous to asynchronous chimeras

Qiong-Lin Dai, Xiao-Xuan Liu, Kai Yang, Hong-Yan Cheng, Hai-Hong Li, Fagen Xie, Jun-Zhong Yang

Frontiers of Physics, 2020, 15(6): 62501

Special Topic:Soft-Matter Physics and Complex Systems (Ed. Zhi-Gang Zheng)

Irreversible Markov chain Monte Carlo algorithm for self-avoiding walk

Hao Hu, Xiaosong Chen, Youjin Deng

Frontiers of Physics, 2017, 12(1): 120503

Simultaneous analysis of three-dimensional percolation models

Xiao Xu, Junfeng Wang, Jian-Ping Lv, Youjin Deng

Frontiers of Physics, 2014, 9(1): 113

Lawrence R. Frank, Co-Director, National Skeletal Muscle Research Center, UC San Diego. Dr. Frank is a Professor of Radiology, the Director of the Center for Scientific Computation in Imaging, the Associate Director for Biomedical Applications at the UCSD Center for Functional MRI, and the Director of MR Research at the VA San Diego Healthcare System. Dr. Frank received his bachelor’s degrees in Physics and English from UC Berkeley, and his doctorate in Physics from MIT.

The focus of Dr Frank’s work is on the principles and application of magnetic resonance imaging (MRI). His current research has focused on the development of pulse sequence and data analysis methods for diffusion tensor imaging with a view towards the quantitative assessment of the structure and physiology of tissues, with particular emphasis on white matter disease and musculoskeletal applications. Dr. Frank is also interested in real-time reconstruction and noise correction methods for functional MRI applications, and on the development of applications of arterial spin labeling methods to the study of muscle function and physiology. Dr. Frank has also developed methods for the application of MRI to the imaging of marine organisms, and founded the Digital Fish Library project, which incorporates advanced imaging, analysis, and visualization method for research and education in comparative marine biology.

Dr. Frank has published extensively in scientific journals devoted to the use of MRI for both basic research and clinical applications spanning such diverse fields as neuroscience, marine biology, tissue engineering, MR physics, cardiac disease, and white matter disease.

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