문자 메시지를 성공적으로 보내려면 뇌가 문구를 작성하고 오타를 확인하는 동안 엄지 손가락을 조정해야합니다. 간단한 대수 문제를 해결하려면 시각적 피질 (기호를 처리하고 계산 및 단기 메모리에 사용되는 뇌 부분을 처리하는 것이 포함됩니다. 문자 메시지없이 가장 잘 수행되는 운전은 시각적, 촉각 및 공간 데이터의 조합이 필요합니다. 뇌의 다른 영역은 이러한 작업을 완료하려는 노력을 어떻게 전달하고 조정합니까? 신경 과학자들은 강아지의 감각 입력과인지 과정의 아침 식사를 합성하는 뇌의 능력을 이해하기 위해 오랫동안 고군분투 해 왔습니다.
그러나 점점 커지는 증거는 고도로 연결된 뇌 영역의 네트워크가 존재한다는 것이 고차 과제를 촉진하는 데 필수적인 것으로 입증 될 수 있음을 시사합니다. 이 고도로 연결된 허브 컬렉션은 아이비 리그 동문 조직과 같은 잘 연결된 개인 그룹과 유사하여 다른 사람들이 정보를 충족시키고 교환하는 데 도움이되기 때문에 "Rich Club"네트워크라고 불 렸습니다.
.Bloomington의 인디애나 대학교 (Indiana University)의 계산 신경 과학자 인 Olaf Sporns는“뇌에서 리치 클럽이 글로벌 커뮤니케이션을 효율적으로 만드는 데 중요한 역할을하고 정보의 통합을 지원하는 데 중요한 역할을한다고 생각합니다. Sporns는 처음으로 뇌의 Rich Club을 네덜란드의 두뇌 센터 Rudolf Magnus의 신경 과학자 인 공동 작업자 Martijn Van Den Heuvel과 함께 묘사했습니다.
.Sporns와 다른 사람들은 Rich Club을 공부하는 것이 신경 과학에서 가장 큰 과제 중 하나를 해결하는 데 도움이되기를 바랍니다. 뇌의 구조를 기능과 연결합니다. 각각은 다른 기술을 사용하여 측정 할 수 있지만 구조적 및 기능적 정보를 조정하려는 시도는 애매한 것으로 입증되었습니다.
“ 입니다 스페인 바르셀로나에있는 Universitat Pompeu Fabra의 신경 과학자 Gustavo Deco는 이렇게 말했다.
과학자들이 신경 풍부 클럽 네트워크에 이끌어내는 한 가지 이유는 배선 비용을 최소화하기 위해 뇌의 조직 원칙 중 하나를 위반하는 것처럼 보이기 때문입니다. 뇌는 메시지를 빠르게 전달하고 뇌의 귀중한 볼륨과 배선 재료를 거의 얻지 않는 짧은 연결을 선호하는 것으로 보입니다. 미세한 벌레 C. elegans의 배선도는이 규칙을 매우 밀접하게 따릅니다. 포유 동물 뇌에서 짧은 연결은 긴 연결보다 훨씬 일반적입니다. 그러나 벌레와 인간 모두에서 Rich Club 네트워크는 드문 예외이며 신경 기능에서 중요한 역할을 제안합니다.
리치 클럽을 연구하는 영국 캠브리지 대학교의 신경 과학자 인 에드 불 모어 (Ed Bullmore)는“이것은 뇌의 고가의 구성 요소이다. "뇌가 정당한 이유없이 고도로 연결된 네트워크를 구현할 가능성은 낮습니다."
.형태와 기능
뇌에서 Rich Club은 고속도로 시스템과 유사하며, 이는 표면 도로의 적은 비율이지만 모든 여행의 훨씬 더 많은 비율을 차지합니다. 신경 풍부 클럽은“뇌의 전반적인 배선 길이의 작은 조각을 구성하지만 엄청난 양의 정보 흐름을 전달합니다.”라고 Van Den Heuvel은 말했다.
리치 클럽 허브 간의 연결은 해부학 적으로 길지만 토폴로지로 짧으므로 한 노드는 하나 또는 두 개의 중간 노드만으로 다른 노드에 연결됩니다. Van Den Heuvel은 이것이 뉴런 간의 더 빠르고 시끄러운 의사 소통을 허용 할 수 있다고 말했다.
Sporns와 Van Den Heuvel은 원래 뇌의 백질 이미지에서 수집 한 해부학 적 데이터를 분석하여 Rich Club을 정의했습니다. 컴퓨터에서, 그들은 뇌를 다른 영역으로 나누고 네트워크로, 각 영역을 노드로, 신경 연결은 그들 사이의 링크로 나타 냈습니다. 그래프 이론이라는 수학적 접근법을 사용하여 네트워크의 속성을 분석 한 12 개의 고도로 연결된 허브를 식별했으며, 이는 Rich Club이 불렀습니다. 이 중앙 네트워크는 뇌의 나머지 부분보다 상호 연결되어 거의 모든 다른 뇌 영역과 관련이있었습니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 Rich Club의 손상이 다른 지역의 손상보다 전체 네트워크를 방해하는 것으로 나타났습니다.
연구에서 발생한 한 가지 큰 질문 중 하나는 해부학 적 데이터를 기반으로 한 Rich Club 네트워크가 뇌 기능에 어떻게 일치하는지입니다. 과학자들은 특히 Rich Club이 기능적 뇌 영상의 데이터를 사용하여 매핑 된 소위 기능 네트워크에 해당하는지 여부를 찾는 데 관심이있었습니다. 과학자들은 개인이 휴식을 취하거나 특정인지 과제를 수행 할 때 상관 관계가있는 뇌 활동 패턴을 찾습니다. 이러한 기능적 네트워크에 대한 수많은 연구에도 불구하고 연구자들은 아직 기본 물리적 구조를 정의하지 않았습니다.
Sporns와 Van Den Heuvel은 동일한 개인의 구조적 및 기능적 이미징 데이터를 비교하는 가장 큰 연구 중 하나와 구조와 기능 사이의 연결을 조사하기 시작했습니다. 9 월에 Journal of Neuroscience에 발표 된 결과는 인간 뇌의 Rich Club 네트워크가 현재까지 매핑 된 많은 기능적 네트워크와 겹 쳤다는 것을 보여줍니다.
Van Den Heuvel은 그 결과는 구조와 기능 사이의 간단한 선형 관계가 없다고 말했다. 대신,“해부학은 단순히 뇌의 기능적 구성이 일어날 수있는 경계를 정의한다”고 그는 말했다. 예를 들어, 누군가가 작업을 빠르게 변경하고, 이메일을 읽는 것에서 전화에 응답하는 것으로 말하면, 뇌는 기능 상태를 빠르게 전환하여 Rich Club 네트워크에 의해 제한 될 수 있습니다.
.시애틀의 Allen Science Institute의 모델링, 분석 및 이론 그룹의 이사 인 Michael Hawrylyz는“실질적인 관심사가 될 가능성이 높은 뇌에서 볼 수있는 장소, 실질적인 관심사가 될 가능성이 높은 곳, 뇌 기능에 더 큰 결과를 초래할 수있는 장소를 알려줄 수있는 증거를 제공하기 때문에 그 결과는 중요합니다. 예를 들어, 시카고의 오 헤어와 같은 주요 공항 허브를 잃는 것은 N.D. Fargo에있는 Hector International Airport의 폐쇄보다 항공 교통 시스템에 전반적인 영향을 미칠 것입니다.
올해 초 불 모어와 공동 작업자가 발표 한 두 번째 연구는 Rich Club을 기능 네트워크에 연결하는 데 다른 압정을 취했습니다. 연구원들은 다양한 작업을 수행하는 1,200 명 이상의 사람들의 뇌 활동 데이터를 편집했습니다. Bullmore는 Rich Club 노드가 행동 및인지와 같은 고차적인지 기능에 관여 할 가능성이 더 높다고 말했다. "이것은 리치 클럽이 기능적으로 가치가 있기 때문에 비싸다는 일반적인 주장을 뒷받침하는 또 다른 데이터를 추가합니다."
고양이와 벌레
4 월, Bullmore와 Collaborators는 Microscop Roundworm C. Elegans에서 풍부한 클럽의 분석을 발표했습니다. Bullmore는“이것은 지금까지 신경 과학에서 가지고있는 표준 골드 표준 배선 다이어그램에 가깝습니다.
Bullmore는 C. elegans의 Rich Club에 속한 11 개의 뉴런을 식별 한 후 인간 뇌의 리치 클럽에서 놀라운 유사점을 발견했다고 말했다. C. el 뇌의 다른 네트워크 연구와 마찬가지로 Bullmore의 팀은 그래프 이론을 사용하여 Rich Club을 마련했습니다. Bullmore는“이 순전히 수학적 분석에 의해 우리가 확인한 뉴런은 신경계의 조정 된 움직임에 역할을하는 Interneurons 명령으로 알려져 있음이 밝혀졌습니다. 웜은 리치 클럽이 완전히 개발 될 때까지 움직일 수 없습니다.
Van Den Heuvel은 C. el 고양이의 Connectome 데이터에 대한 새로운 분석에서 Van Den Heuvel과 그의 대학원생 Marcel de Reus는 Rich Club 네트워크가 고양이 뇌에서 정의 된 주요 기능 네트워크 (시각, 청각, 체세포 및 전두엽)를 연결하는 데 도움이된다는 것을 발견했습니다. 실제로,이 지역들 사이에 통과 된 메시지의 90 %가 Rich Club을 통과하는 것으로 보입니다. 그들의 결과는 8 월에 Journal of Neuroscience에 출판되었습니다.
고양이에서 과학자들은 또한 한 노드의 뉴런이 다른 노드에 정보를 보내는 방향을 알고 있습니다. Van Den Heuvel은“이로 인해 CAT 피질의 지역 간의 이론 정보 흐름을 매핑 할 수 있습니다. Rich Club은 더 많은 상호 연결을 가지고 있으며, 이는 다른 네트워크보다 양방향으로 정보를 보내는 노드를 의미합니다. Van Den Heuvel은“아마도 이것은 분리 된 모듈 네트워크보다는 높은 수준의 유연성을 가진 인프라를 생성 할 수 있습니다. 이 구조가 실제로 더 유연한 지 여부를 탐색하려면 더 많은 연구가 필요합니다.
과학자들이 사람들, 고양이, 벌레 및 기타 종에서 풍부한 클럽 네트워크를 확인했다는 사실은 그것이 뇌의 기본 특징임을 시사합니다. Van Den Heuvel은“Rich Club은 신경 시스템이 어떻게 성장하는지의 일반적인 특징일지도 모릅니다.
풍부한 클럽 네트워크를 가진 다양한 동물들은 네트워크가 인간의 뇌 영상의 인공물이 아니라 비평가들에 의해 제기 된 우려라고 제안합니다. 과학자들은 뇌 영상 데이터를 사용하여 인간 뇌의 상세한 이미지를 만들 수 있지만,이 그림은 간접적입니다. Rich Club을 분석하는 데 사용되는 구조적지도는 신경 배선의 프록시로서 물 분자의 확산을 사용하여 실험적 편견을 겪습니다. (확산 맵은 다른 종류의 배선을 다른 종류의 배선을 감지하는 데 더 나을 수 있습니다.)“우리는 인간의 뇌 구조 나 기능에 대한 완벽한 척도가 없으므로 항상 내 마음에는 의문이 있습니다. 인간 영상 연구에서 우리가 보는 네트워크 속성은 어느 정도까지 있습니까?” 불 모어가 말했다. 그러나 다른 동물의 연구에서보다 직접적인 해부학 적 추적 기술의 사용은 인간의 발견과 일치했다.
혼란에있는 리치 클럽
리치 클럽은 인터넷, 소셜 네트워크 및 비행 패턴을 포함한 많은 상호 연결된 시스템에서 발견되었습니다. 최근의 한 연구에 따르면 수업 첫 주 동안 강렬하게 상호 작용하기 시작한 대학생 그룹은 학기 내내 (주로 서로)를 계속해서 수업 시간에 다른 사람들보다 더 잘 수행 한 것으로 나타났습니다. 이 학생들은 그것을 깨닫지 않고 풍부한 클럽을 형성하고 그 혜택을 얻었습니다.
그러나 뇌의 풍부한 클럽 네트워크에 결함이 있으면 어떻게됩니까? 대답은 여전히 불분명하지만 예비 증거는 풍부한 클럽의 이상과 정신 분열증과 같은 신경 발달 장애 사이의 연관성을 시사합니다. Sporns는“매우 파괴적이라는 사실에도 불구하고 정신 분열증 환자의 뇌에서 실제로 다른 것은 훨씬 더 미묘한 질문입니다.
Rich Club의 결함을 찾고 연결의 수와 구조와 같은 다른 네트워크 조치를 검토하는 것은 장애를 밝히는 데 초기의 약속을 보여줍니다. 8 월 Jama Psychiatry에 발표 된 연구에 따르면 Sporns와 Van Den Heuvel은 정신 분열증 환자가 장애가없는 사람들보다 허브 지역 간의 허브 지역 간의 연결이 얇고 잘 발달되지 않은 경향이 있지만 주변 장치 노드를 연결하는 연결은 결함이 없거나 손상되지 않은 것으로 나타났습니다. 별도의 연구에서, 이에 비해, 운동 장애를 가진 사람들 abyotrophic lateral sclerosis 모터 네트워크의 연결에 차이가 있음을 보여주었습니다. 연구원들은 이제 알츠하이머 병을 가진 사람들의 리치 클럽 네트워크를보고 있습니다.
“리치 클럽은 높은 비용과 높은 가치이기 때문에 질병에 특히 취약 할 가능성이 높습니다.
그러나 리치 클럽의 손상과 질병의 연관성을 이해하려면 더 많은 노력이 필요합니다. 예를 들어, 얇은 연결이 장애를 유발하는지 또는 정신 분열증의 산물인지는 확실하지 않습니다. 결국 과학자들은 설치류, 파리 또는 벌레와 같은 모델 유기체에서 풍부한 클럽 네트워크를 방해하고 동물이 정신 분열증과 같은 장애를 겪는지 여부를 측정 할 수 있어야합니다.
.질병에서 풍부한 클럽의 역할을 연구하는 것 외에도 스폰과 협력자들은 네트워크가 사람들마다 어떻게 다른지 더 잘 정의하기를 희망합니다. 그들의 노력의 일부는 Human Connectome 프로젝트의 데이터, 1,000 명 이상의 사람들의 신경 연결 및 활동을 매핑하고 해당 데이터를 공개적으로 이용할 수 있도록 노력할 것입니다. Sporns는 연구원들이 풍부한 클럽 구조에 유전 적 차이가 있는지 여부와 이러한 구조가 사람의 일생 동안 변하는 지 여부와 같은 질문에 답하려고한다고 말했다.
.궁극적으로 Rich Club은 복잡한 네트워크의 일부일 뿐이므로 과학자들은 Rich Club이 어떻게 광범위한 두뇌 네트워크에 적합한 지 이해하기를 희망하며, 이는 통합의 역할을 이해하는 데 필수적입니다. Bullmore는“우리가 정말로 이해해야 할 것은 뇌 네트워크의 구조입니다.”
