切换到宽版
  • 4063阅读
  • 0回复

研究表明:大脑是在两种状态之间的临界点上运作的 [复制链接]

上一主题 下一主题
离线释尔阳
 

成都近视手术


      
      对神经科学家来说,理解组成我们思维器官的巨大神经元网络如何处理有关世界的信息是一个令人望而生畏的谜。这个大谜题的一部分是,一个单一的物理结构如何能够应对生命的无数需求。“如果大脑完全紊乱,它就无法处理信息,”巴西伯南布哥联邦大学物理学家、这项新研究的合著者毛罗·科普利解释说。“如果太过有序,它就太死板,无法应对环境的变化。”
      
      在20世纪90年代,物理学家佩尔·巴克提出假设,大脑从临界状态中获得了一系列技巧。这个概念起源于统计力学领域,它描述了一个由许多部件组成的系统,这些部件在稳定和混乱之间摇摆不定。考虑冬天的雪坡。早期的雪滑道很小,二季末的暴风雪可能会引发雪崩。在这些秩序和灾难之间的某个地方,有一个特殊的雪堆,那里什么都有:下一个扰动可能会引发涓涓细流、雪崩或介于两者之间的什么东西。这些事件发生的可能性并不相同;相反,小的级联比大的级联出现的次数要多,大的级联比大的级联出现的次数要多,以此类推。但在物理学家所称的“临界点”上,事件的大小和频率有一个简单的指数关系。巴克认为,调整到这样一个最佳位置将使大脑成为一个有能力和灵活的信息处理器。
      

      
      支持者还面临着另外两个难题:定义幂律的所谓“临界指数”——例如,这个数字表示相对于较大的雪崩,发生了多少次较小的雪崩——因设置而异,这与大脑反应背后普遍机制的概念不符。此外,实验人员在同步的神经波中发现了更强的临界信号,这种信号通常发生在深度睡眠时,而不是在警觉的动物大脑中更为分散的放电模式中。这种差异让研究人员感到困惑,他们没有预测临界性和同步性之间的关系。
      
      为了应对这些挑战,科佩利和他的同事们给老鼠注射了一种特殊的麻醉剂,这种麻醉剂可以让老鼠的大脑在极端的同步状态之间摇摆,有时以睡眠时典型的同步方式放电,有时则像清醒时大脑的随机静止状态。记录膨胀初级视觉皮层的神经活动的金属探测器,该组织发现,大小和持续时间,和大小和持续时间之间的关系,神经雪崩均符合幂律分布有不同的临界指数——类似于脑片Beggs 2003年发现死老鼠。
      

      
      然而,更进一步的研究表明,当神经元以一定的中等同步程度激活时,这三个指数就会根据一个简单的方程组合在一起。指数之间的这种关系满足了评论家在2017年提出的对临界性更严格的测试。被麻醉大鼠的大脑大部分时间都处于这种状态,似乎徘徊在两个阶段的分界线附近。
      
      “这是确凿的证据;你再也逃不掉了,”贝格斯说,他没有参与这项研究。“很难说这是随机的。”
      
      然而,当研究小组仔细观察临界点落在何处时,他们发现,正如最初的“临界大脑假说”所预测的那样,大鼠的大脑在低神经元活动和高神经元活动的阶段之间并不平衡;相反,临界点将神经元同步放电的阶段与神经元不连贯放电的阶段分开。这一区别可能解释了过去临界性搜索的成败性质。科佩利的同事、该研究的合著者佩德罗卡雷利(Pedro Carelli)表示:“我们已将早期研究的数据进行了核对,这一事实确实说明了一些更普遍的问题。”该研究发表在5月底的物理评论快报上。
      
      但是被麻醉的大脑并不是天生的,所以科学家们对自由漫步的老鼠的神经活动的公共数据进行了重复分析。他们再次发现证据表明,动物的大脑有时会经历临界状态,满足2017年的新黄金标准。然而,与被麻醉的大鼠不同的是,小鼠大脑中的神经元大部分时间是异步放电的——远离所谓的半同步临界点。
      

      
      他们和同事还分析了关于猴子和海龟的公共数据。尽管数据集有限,无法用完整的三指数关系来确定临界度,但研究小组计算了表示雪崩大小和持续时间分布的两种不同幂律指数之间的比值。这个比率——代表雪崩扩散的速度——总是相同的,无论物种和动物是否处于麻醉状态。“对物理学家来说,这意味着某种普遍的机制,”科佩利说。
      
      法国国家科学研究中心RS)的阿兰·德斯特谢提出了将这三个指数联系起来的方程作为临界性测试的批评者,他称这些结果的普遍性“令人震惊”,但他不确定这是否意味着临界性大脑支持者所说的。他指出,由于在清醒的大脑中雪崩的规模与处于深度麻醉的大脑类似——当他们没有感官输入时——临界状态可能与大脑如何处理信息无关,而可能是由于大脑动力学的其他方面。
      
      接下来,巴西研究小组希望研究大鼠的同步和非同步大脑阶段与行为的关系,这是一个谜题,因为同步爆发在睡眠中很常见,但也会发生在清醒的大脑中。
      
      其他的研究已经将睡眠与将不稳定的大脑恢复到临界点联系起来,begs认为未来的研究可能会在心理健康和大脑物理之间建立更深层次的联系。但是首先,Copelli说,临界场需要解决更基本的问题。“目前的理论无法解释这个结果,”他说,这意味着他和同事们的新发现,“因此,它再次开启了模型的竞赛。”
      
      
快速回复
限100 字节
如果您在写长篇帖子又不马上发表,建议存为草稿
 
上一个 下一个