Gerardo Ortiz는 2010 년 그의 인디애나 대학 동료 인 John Beggs가 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 웅장한 통합 이론에 대한 시도 인 인디애나 대학 동료 인 John Beggs가 처음 들었던 시간을 잘 기억합니다. Ortiz는 물이 물이 얼음으로 바뀌는 동결 지점과 같이 두 단계 사이의“중요한 지점”에서 균형을 유지할 수 있다는 개념에 흥미를 느꼈습니다. 요약 물리학자인 Ortiz는 여러 시스템에서 중요한 현상을 연구했습니다. 그는 또한 정신 분열증을 앓고있는 형제와 간질로 고통받는 동료를 가졌으며, 그에게 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 개인적인 관심을주었습니다.
.Ortiz는 가설의 멍청한 문제 중 하나를 즉시 확인했습니다. 뇌와 같은 지저분한 생물학적 시스템에서 완벽한 티핑 지점을 유지하는 것은 매우 어렵습니다. 퍼즐은 그를 더 조사하기 위해 Beggs와 힘을 합치도록 강요했다.
Ortiz의 비판은 1992 년 Bak Per Bak의 후기 덴마크 물리학자가 그것을 제안한 이후로 이론을 이해해 왔습니다. Bak은 뇌가“자기 조직화 된 중요성”을 보여주고, 비판적 지점을 자동으로 조정한다고 제안했습니다. 그는 정교하게 질서 정의 된 복잡성과 사고 능력이 자발적으로 발생한다고 말하면서 뉴런의 무질서한 전기 활동에서 경쟁했다.
자체 조직화 된 중요 시스템에 대한 Bak의 표준 예는 간단한 샌드 파일입니다. 모래 파일 위에 개별 모래 곡물을 하나씩 떨어 뜨리면 각 곡물은 눈사태를 일으킬 가능성이 있습니다. Bak과 동료들은 그 눈사태가 "전력법"을 따라갈 것이며, 작은 눈사태는 더 큰 눈사태보다 더 자주 발생합니다. 따라서 주어진 기간 동안 10 개의 곡물이 모래 파일 측면으로 미끄러지는 100 개의 작은 눈사태가 있다면 같은 기간에 100 개의 곡물이 포함 된 10 개의 큰 눈사태가 있으며 1,000 개의 곡물이 포함 된 큰 눈사태가 하나만 있습니다. 거대한 눈사태가 전체 더미를 무너 뜨리면베이스가 넓어지고 모래가 중요한 지점으로 돌아올 때까지 다시 쌓이기 시작합니다. Sandpile은 수백만 또는 수십억의 작은 요소로 엄청나게 복잡하지만 전반적인 안정성을 유지합니다.
뇌의 수천만 개의 뉴런은 매우 복잡하고 상호 연결된 네트워크를 형성합니다. Bak은 Sandpile과 마찬가지로 네트워크가 중요한 시점에서 균형을 잡고 전력법에 따른 전기 활동과 균형을 잡았다 고 가정했다. 따라서 뉴런이 발사되면 연결된 뉴런에 의한 발사의“눈사태”를 유발할 수 있으며 작은 눈사태는 더 큰 눈사태보다 더 자주 발생합니다. 지난 30 년 동안이 아이디어를 발전시키는 수백 개의 논문에서 연구원들은 중요도로 작동하면 정보 전송 및 처리를 극대화함으로써 뇌의 성과를 최적화 할 것이라고 주장했다. 미스터리는 뇌와 같은 시끄러운 시스템이 세밀하게 조정 된 임계 상태를 유지할 수있는 방법입니다. 중요한 또 다른 특징은 시스템이 활동을 변화시킬 수있는 모든 입력에 가장 민감하다는 것입니다.
.Ortiz에게 Beggs가 인디애나의 물리 부서 회의실에서 이론에 대해 이야기하면서“이것은 분명히 미세 조정 문제였습니다.”라고 그는 말했다. 중요성은“자연에서 당신이 매우 쉽게 찾을 수있는 것이 아닙니다. 시스템을 미세 조정에서 멀어지게하는 섭동이 있으면 중요하지 않을 것입니다.” 중요한 뇌 가설에 대한 또 다른 파업은 통계 물리학의 중요성에 대한 교과서 정의에는 무한한 크기의 시스템이 필요하다는 것입니다. 인디애나의 생물 물리학 교수 인 Beggs는“뇌가 유한하다는 사실은 진정한 중요성을 의미한다는 것을 의미합니다.
그러나 결정적이지 않은 경우 실험적인 증거는 뇌의 뉴런 활동이 중요성의 특징을 나타낸다는 것을 시사합니다. 이로 인해 여러 과학자들이 Bak의 원래 이론에 대한 변형을 제안하게되었습니다. Ortiz와 Beggs는 대학원생 Rashid Williams-García (현재 피츠버그 대학의 박사후과)와 Mark Moore와 함께 뇌가“준 분유 상태”에 거주한다고 주장했습니다. 즉, 정확한 임계점에 앉아있는 대신, 넓지 만 잘 정의 된 지역을 중심으로 마이그레이션됩니다.“시스템이 효율적이고 최적으로 작업에 적응할 수있는 위상 공간의 볼륨”이라고 Ortiz는 말했습니다.
독일 괴팅겐의 Max Planck Dynamics and Self Organization의 Viola Priesemann도 비슷한 개념을 제안했습니다. 그녀는 뇌가 소위 "아프리카"체제에서 팁 포인트 바로 아래에서 작동 할 수 있다고 이유가 있습니다. 두 시나리오 모두에서 뇌는 위태롭게 포인트가 아닌 임계점 근처에서 작동합니다. 이 배열은 매우 필요한 안정성을 제공하면서도 여전히 매우 효율적인 정보 전송 및 처리를 가능하게합니다.
새로운 제안은 원숭이의 신경 발사 패턴에서 권력 법의 증거를 발견 한 국립 정신 건강 연구소의 다이어트 마르 플렌츠 (Dietmar Plenz)의 가장 초기의 실험 개척자 중 하나입니다. Plenz는 15 년 전의 중요성은 아직 심각한 가능성으로 간주되지 않았다.“이제 나는 중요성이지도에 있다고 생각한다”고 말했다. “우리는 중요도에 가까운 피질 역학의 정권이 있다고 생각합니다. 이것은 우리가 뇌가 중요한 것인지 아닌지에 대해 더 이상 이야기하지 않고 어떤 특정 측면에서 중요한지에 대해 더 이상 이야기하고 있기 때문에 이것은 큰 진전입니다.”
.중요하지 않음
과학자들은 종종 핵 사슬 반응과 같은 중요성에 대해 동일한 모델을 사용합니다. 핵분열에서 핵분열 사건은 두 개의 입자를 꺼내고, 각각 2 개를 더 나와서 분기 비율 (단일 사건에서 예상 된 후손 수)을 2 개 더 나옵니다. 이러한 시스템은 원자 폭탄을 생산하기 위해“초 임계”가됩니다. 한편 "아프리카"시스템에서 분기 비율은 1보다 작으므로 연쇄 반응이 어지럽습니다. 중요한 시스템에서 분기 비율은 정확히 하나가 될 것이며, 예를 들어 발전소를 무기한으로 실행할 수있는 지속적인 핵 반응을 설정합니다. 마찬가지로, 뇌가 진정으로 중요하다면, 눈사태 크기의 전력법 분포가 있지만, 하나의 뉴런은 평균적으로 다른 뉴런을 활성화시켜야합니다.
Beggs에 따르면 뇌가 극도로 비판적이라면 들어오는 신호는 감쇠되어 영향을 미치지 않을 것입니다. "잠들거나 취한 사람과 이야기하려고하는 것과 같다"고 그는 말했다. 초 임계 뇌에서 들어오는 신호는 전기 활동의 열풍으로 잃어 버릴 것이며, 그 효과는 발작 피해자와 대화하는 것과 같습니다. Beggs와 다른 사람들은 신경망이 중요한 시점에서 들어오는 신호에 가장 민감하다고 주장합니다. 그곳에서 활성 뉴런 사슬은 정보가 조기에 죽거나 폭발하지 않고 한 뇌에서 다른 뇌 영역으로 확산 될 수 있도록합니다.
Priesemann은 뇌가 약간 아공간이라고 제안합니다. 중요한 지점에 바로 이루어지면 초 임계 체제로 넘어갈 위험이 있기 때문에, 그녀는 하위 약점을 뇌의 일종의 안전 구역으로보고 있는데, 이는 현재 상태에 가장 적응하는 데 필요한 중요한 지점을 향해 이동할 수 있습니다. 예를 들어 많은 정보를 통합 해야하는 강렬한인지 작업의 경우, 뇌는 가능한 한 중요도에 가까워서 혜택을받을 수 있습니다. 그러나 상황에 더 빠르고 직관적 인 반응이 필요하다면 중요한 지점보다 더 멀리있는 것이 낫습니다. Priesemann은“솔루션에 대한 정보를 통합 해야하는지 또는 빠르게 반응 해야하는지에 따라 '달콤한 반점'은 매우 다를 수 있습니다.
이번 주 Nature Communications 에 등장한 논문에서 , 그녀와 동료는 예측을 알려진 비율의 모델과 비교하여 검증 된 분기 비율을 추정하기위한 새롭고 정확한 방법을 공식화했습니다. 그녀 가이 새로운 방법을 쥐, 고양이 및 원숭이의 대뇌 피질 스파이크 기록에 적용했을 때, 그녀는 모두 진정한 중요도의 1 ~ 2 % 이내에 0.98 또는 0.99의 분기 비율이 있음을 발견했습니다.
Priesemann은 이것을 임계 뇌 가설에 대한 증거로 제공하지만 Beggs는 뇌가 준 분유하다는 그의 공동 작업자의 경쟁 이론과도 호환 될 수 있다고 생각합니다. 준 분유는 뇌가 중요한 지점에서 정확히 작동하지 않고 그 시점 근처의 더 넓은 지역에서보다 쉽게 적응할 수 있다는 점에서 아임과 유사합니다. 그러나 준 분유는 공간의 영역을 매우 정확하게 정의합니다.
출발점은 뇌가 분명히 샌드 파일이나 핵 연쇄 반응과 똑같이 작동하지 않는다는 관찰입니다. Bak의 Sandpile 모델에서는 눈사태가 발생하면 다음 곡물이 더미에 떨어지기 전에 코스를 실행합니다. 이러한 타임 스케일의 분리는 전력법 분포와 같은 전통적인 중요도의 특징이 발생하기 위해 필요합니다. 그러나 뇌는 단순히 그렇게 작동하지 않습니다. 이것은 Ortiz, Beggs 및 학생들에게 영감을주는 주요 통찰력이었습니다.
“피질은 침묵하지 않고 자극에 의해 운전되기를 기다리고 있습니다. 그것은 활동으로 휘젓고있다”고 Beggs는 말했다. "각 피질 지역은 다른 여러 지역에서 입력을 받고 있습니다." Sandpile 모델과 달리 뉴런은 하나씩 발사하지 않습니다. 모든 크기의 신경 눈사태는 서로로 흐르기 때문에 차별화하기가 매우 어렵습니다.
따라서 신경 눈사태에서 전력법 분포를 보지 않고 Beggs and Ortiz는 "감수성"의 관점에서 준 분유를 특징으로합니다.
이 감도는 뇌의 여분의 자발적 활동에 크게 의존하여 시스템에 소음을 더하고 감수성을 약화시킵니다. 뇌가 매우 활동적 일 때, 배경 수다로 채워진 방에서 신호를 식별하는 것과 같습니다. 완전히 외부 신호에 의해 구동되는 Bak의 Sandpile과 유사한 완전히 조용한 방에서 신호를 쉽게 선택할 수 있습니다. 네트워크가 정당화되면 Beggs and Ortiz는 균형이 옳습니다. 들어오는 신호가 감지되고 소음에 의해 조기에 축축되거나 절망적으로 왜곡되지 않고 피질 전역에 퍼질 수 있습니다.
.메커니즘은 무엇입니까?
이것은 모두 뇌의 뉴런 네트워크가 중요도에 가까워 질 수 있도록 몇 가지 메커니즘이 있다고 가정합니다. 신체가 이미 혈압, 호흡 속도 및 pH 수준을 조절하기 위해 이미 다양한 생물학적 메커니즘을 사용한다는 점을 감안할 때 뇌가 자체 조절 수단을 가질 수는 없습니다. 그러나 그러한 메커니즘의 세부 사항은 존재한다면 여전히 투기 적입니다.
반복적 인 발사를 통해 뇌의 뉴런 사이의 연결이 더 강해질 때, 이것은 다른 연결의 약화에 의해 균형이 맞다는 실험적인 증거가 있습니다. 이탈리아 캄파니아 대학교의 물리학자인 Lucilla de Arcangelis는“활동이 과도하게 활동하면 활동을 방해하는 분자 메커니즘을 설정합니다. "이것은 뇌가 흥분과 억제의 균형에 가깝게 작동한다는 것은 지금 매우 잘 받아 들여졌습니다." 그렇다고해서 반드시 뇌가 중요하다는 의미는 아닙니다.
Priesemann은 뇌를“항상성 가소성”으로 알려진 뇌를 임시로 유지하기위한 가능한 메커니즘에 대한 자신의 이론을 개발하고 있습니다. 아이디어는 모든 뉴런에 표적 발사 속도가 있고 뉴런은 해당 목표를 유지하기 위해 필요에 따라 활성을 조정한다는 것입니다. 예를 들어, 대상 발사 속도가 초당 1 회이고 뉴런이 충분히 긴 기간 동안 이보다 자주 발생하는 경우, 응답으로 흥분성이 증가하여 발사 속도가 목표 속도로 상승 할 때까지 입력에 더 강력하게 반응합니다. 이것은 뇌가 입력 강도에 따라 임계점에 더 가깝거나 더 멀리 이동하는 거대한 뉴런 네트워크를“조정”하게 할 것입니다.
일부 연구자들은 뇌가 전혀 중요하지 않다고 의심하며, 과학자들이 전력법 분포와 같은 현상을 식별하기 위해 사용한 징후는 다른 과정에서 모방 될 수 있다고 의심합니다. 이것이 프랑스 국립 과학 연구 센터 (CNR)의 이론적 신경 과학자 인 Alain Destexhe의 입장이자 가설의 가장 성악적인 비평가 중 하나입니다. 물리학 자들이 자신이 보는 곳마다 권력법을 본다는 농담이 있습니다. Destexhe는 전력 법칙이 실제로 본질적으로 나타나지 만“비판적으로 인한 것인지, 그것은 매우 중요한 또 다른 질문입니다.”
라고 말합니다.Destexhe는 뇌가“비동기 불규칙한”상태와 더 유사하다고 생각합니다. 여기서 뉴런은 거의 무작위로 발사하는 약한 상관 관계로 발사됩니다. 작년에 그는 수천 개의 뉴런이있는 인공 신경 네트워크가 그러한 활동을 자동으로 생성 할 수 있으며, 이들 네트워크의 데이터는 뇌 연구에서 수집 된 데이터와 비슷하다는 것을 발견했습니다. 또한, 비동기 불규칙한 상태는 연구자들이 올바른 방식으로 뉴런 활동을 측정했을 때 전력 법률 행동을 보여주었습니다. "시스템이 중요하지 않아야했기 때문에 이것은 기괴했다"고 그는 말했다.
Destexhe와 그의 동료들이 모델의 뉴런을 무작위 뉴런으로 대체했을 때, 전력 법 거동은 남아있었습니다. 그에게 이것은 우리가 권력 법과 관련 현상에만 의존 할 수 없다는 강력한 주장입니다. 다른 종류의 테스트가 필요합니다.
준 분유 가설은 구걸과 동료들이 이제 실험적으로 테스트하고 있다는 명확한 예측과 함께 제공됩니다. 이들은 큰 Hadron Collider와 같은 입자 가속기에 사용되는 실리콘 스트립 검출기에서 적응 된 고밀도 마이크로 전극 어레이를 사용하여 감수성을 측정하고 있습니다. 그들의 버전에는 약 500 개의 전극이 활성 뉴런을 시뮬레이션하여 강도가 증가함에 따라 어레이를 인위적으로 자극함으로써 다양한 수준의 자발적인 신경 활동을 모델링 할 수 있습니다. 결과 데이터를 분석 할 때 레벨이 증가함에 따라 예측 된 라인을 따라 감수성이 감소하면, 이는 Begg와 Ortiz가 올바른 추적에 있다는 확실한 증거가 될 것입니다. 그렇지 않다면? “그렇다면 이것은 사실이 아닙니다. Ortiz는 말했다.
Beggs는“이것은 합리적인 아이디어 인 것처럼 보이지만 궁극적으로 실험적인 질문입니다. “그것은 내 마음을 아프게 할 것이지만 방금 잘못된 정말 아름다운 아이디어가있었습니다. 이것은 그들 중 하나 일 수 있습니다.”
