Fysikere udvikler en teoretisk model for neural aktivitet af musehjerne

Dynamikken i den neurale aktivitet af en musehjerne opfører sig på en ejendommelig, uventet måde, der teoretisk kan modelleres uden nogen finjustering, foreslår et nyt papir fra fysikere ved Emory University. Fysisk gennemgangsbreve offentliggjort forskningen, hvilket tilføjer beviserne for, at teoretiske fysikrammer kan hjælpe med forståelsen af ​​storstilet hjerneaktivitet.

"Vores teoretiske model stemmer overens med tidligere eksperimentelt arbejde på hjernen hos mus med nogle få procents nøjagtighed - en grad, der er meget usædvanlig for levende systemer, " siger Ilya Nemenman, Emory professor i fysik og biologi og seniorforfatter af papiret.

Den første forfatter er Mia Morrell, der lavede research til hendes honours-afhandling som Emory senior med speciale i fysik. Hun dimitterede fra Emory sidste år og er nu i en post-baccalaureate fysik-uddannelse på Los Alamos National Laboratory i New Mexico.

"En af de vidunderlige ting ved vores model er, at den er enkel, " siger Morrell, hvem skal starte på en ph.d. program i fysik ved New York University i efteråret. "En hjerne er virkelig kompleks. Så at destillere neural aktivitet til en simpel model og finde ud af, at modellen kan lave forudsigelser, der så tæt matcher eksperimentelle data, er spændende."

Den nye model kan have applikationer til at studere og forudsige en række dynamiske systemer, der har mange komponenter og har varierende input over tid, fra den neurale aktivitet i en hjerne til handelsaktiviteten på et aktiemarked.

Medforfatter til papiret er Audrey Sederberg, en tidligere post-doc i Nemenmans gruppe, som nu er på fakultetet ved University of Minnesota.

Værket er baseret på et fysikkoncept kendt som kritiske fænomener, bruges til at forklare faseovergange i fysiske systemer, såsom vand, der skifter fra væske til gas.

I flydende form, vandmolekyler er stærkt korrelerede til hinanden. I et fast, de er låst fast i et forudsigeligt mønster af identiske krystaller. I en gasfase, imidlertid, hvert molekyle bevæger sig rundt på egen hånd.

"På det, der er kendt som et kritisk punkt for en væske, du kan ikke skelne om materialet er væske eller damp, " Nemenman forklarer. "Materialet er hverken perfekt ordnet eller uordnet. Det er hverken helt forudsigeligt eller totalt uforudsigeligt. Et system på dette 'lige rigtige' Goldilocks-sted siges at være 'kritisk'."

Meget høj temperatur og tryk genererer dette kritiske punkt for vand. Og strukturen af ​​kritiske punkter er den samme i mange tilsyneladende ikke-relaterede systemer. For eksempel, vand, der går over i en gas, og en magnet, der mister sin magnetisme, når den varmes op, er beskrevet af det samme kritiske punkt, så egenskaberne for disse to overgange er ens.

For faktisk at observere et materiale på et kritisk tidspunkt for at studere dets struktur, fysikere skal nøje kontrollere eksperimenter, justering af parametrene inden for et ekstraordinært præcist område, en proces kendt som finjustering.

I de seneste årtier har nogle videnskabsmænd begyndte at tænke på den menneskelige hjerne som et kritisk system. Eksperimenter tyder på, at hjerneaktivitet ligger i en Guldlok-plet - lige ved et kritisk overgangspunkt mellem perfekt orden og uorden.

"Hjernens neuroner fungerer ikke kun som en stor enhed, som en hær, der marcherer sammen, men de opfører sig heller ikke som en flok mennesker, der løber i alle forskellige retninger, " siger Nemenman. "Hypotesen er, at når du øger den effektive afstand mellem neuroner, korrelationerne mellem deres aktivitet vil falde, men de vil ikke falde til nul. Hele hjernen er koblet sammen, opfører sig som en stor, indbyrdes afhængig maskine, selv mens individuelle neuroner varierer i deres aktivitet."

Forskere begyndte at søge efter faktiske signaler om kritiske fænomener i hjerner. De udforskede et nøglespørgsmål:Hvad finjusterer hjernen til at nå kritik?

I 2019, et hold ved Princeton University optog neuroner i hjernen på en mus, mens den løb i en virtuel labyrint. De anvendte teoretiske fysikværktøjer udviklet til ikke-levende systemer på de neurale aktivitetsdata fra musehjernen. Deres resultater antydede, at den neurale aktivitet udviser kritiske korrelationer, tillader forudsigelser om, hvordan forskellige dele af hjernen vil korrelere med hinanden over tid og over effektive afstande i hjernen.

For det aktuelle papir, Emory-forskerne ønskede at teste, om finjustering af bestemte parametre var nødvendig for observation af kritikalitet i musehjerneforsøg, eller om de kritiske sammenhænge i hjernen kunne opnås blot gennem processen med at modtage ydre stimuli. Ideen kom fra tidligere arbejde, som Nemenmans gruppe samarbejdede om, forklarer, hvordan biologiske systemer kan udvise Zipfs lov - et unikt aktivitetsmønster, der findes i forskellige systemer.

"Vi har tidligere lavet en model, der viste Zipfs lov i et biologisk system, og den model krævede ikke finjustering, " siger Nemenman. "Zipfs lov er en særlig form for kritik. For dette papir, vi ønskede at gøre den model lidt mere kompliceret, for at se, om kunne forudsige de specifikke kritiske korrelationer observeret i museeksperimenterne."

Modellens nøgleingrediens er et sæt af nogle få skjulte variabler, der modulerer, hvor sandsynligt individuelle neuroner er aktive.

Morrell skrev computerkoden for at køre simuleringer og teste modellen på sin stationære hjemmecomputer. "Den største udfordring var at skrive koden på en måde, så den kunne køre hurtigt, selv når man simulerede et stort system med begrænset computerhukommelse uden en stor server, " hun siger.

Modellen var i stand til tæt at gengive de eksperimentelle resultater i simuleringerne. Modellen kræver ikke omhyggelig justering af parametre, generere aktivitet, der tilsyneladende er kritisk af enhver foranstaltning over en bred vifte af parametervalg.

"Vores resultater tyder på, at hvis du ikke ser en hjerne som eksisterende alene, men du ser det som et system, der modtager stimuli fra den ydre verden, så kan du have kritisk adfærd uden behov for finjustering, " siger Nemenman. "Det rejser spørgsmålet om, hvorvidt noget lignende kunne gælde for ikke-levende fysiske systemer. Det får os til at genoverveje selve begrebet kritik, som er et grundlæggende begreb i fysik."

Computerkoden til modellen er nu tilgængelig online, så alle med en bærbar computer kan få adgang til den og køre koden for at simulere et dynamisk system med varierende input over tid.

"Den model, vi udviklede, kan anvendes ud over neurovidenskab, til ethvert system, hvor udbredt kobling til skjulte variabler eksisterer, " siger Nemenman. "Data fra mange biologiske eller sociale systemer vil sandsynligvis virke kritiske via den samme mekanisme, uden finjustering."