2020 년 1 월 수면 연구 심포지엄에서 Janna Lendner는 깨우기와 무의식 사이의 경계의 징후에 대한 사람들의 뇌 활동을 바라 보는 방법을 힌트 한 결과를 발표했습니다. 혼수 상태 또는 마취 상태 인 환자의 경우 의사가 그러한 구별을 올바르게 만드는 것이 중요 할 수 있습니다. 그러나 누군가가 꿈꾸는 빠른 눈 운동 (REM) 수면 상태에있을 때 뇌가 깨어있을 때와 똑같은 친숙하고 부드럽게 진동하는 뇌파를 생성하기 때문에 그렇게하는 것보다 까다 롭습니다.
.그러나 Lendner는 대답이 일반적인 뇌파가 아니라 과학자들이 일반적으로 무시할 수있는 신경 활동의 측면에 있다고 주장했다.
일부 연구자들은 놀랍게 보였다. "그들은``그래서 소음에 대한 정보가 있다고 말하고 있습니까?"라고 독일 튜빙겐에있는 University Medical Center의 마취학 거주자 인 Lendner는 최근 버클리 캘리포니아 대학교에서 박사후 DOC를 마쳤습니다. “저는‘그렇습니다. 누군가의 소음은 또 다른 신호입니다. '”
Lendner는 뇌의 전기 활동의 소음이 내면의 작업에 새로운 단서를 가질 수 있다는 생각으로 인해 점점 더 많은 신경 과학자 중 하나입니다. 한때 성가신 텔레비전 정적의 신경 학적 동등성으로 여겨진 것은 과학자들이 뇌를 연구하는 방법에 심오한 영향을 미칠 수 있습니다.
회의론자들은 신경 과학자 Bradley Voytek에게 뇌 활동의 시끄러운 특징에 대해 연구 할 가치가 없다고 말했습니다. 그러나 사람들이 나이가 들어감에 따라 전기 소음의 변화에 대한 자신의 연구뿐만 아니라 불규칙한 뇌 활동의 통계적 경향에 대한 이전 문헌은 그들이 무언가를 놓치고 있다고 확신했습니다. 그래서 그는 과학자들이 데이터를 다시 생각할 수 있도록 수년을 보냈습니다.
샌디에고 캘리포니아 대학교 (University of California)의인지 과학 및 데이터 과학 부교수 인 보이 테크 (Voytek)는“과학자 그룹 앞에서 올라가서‘이봐, 우리가 잘못하고 있다고 생각한다’고 말하기는 충분하지 않습니다. “당신은 그들에게 다른 일을 할 새로운 도구를 제공해야합니다.”다르게 또는 더 나은.
Voytek은 UC San Diego 및 Berkeley의 신경 과학자와 협력하여 뇌 활동의 aperiodic 부분에 숨어있는 알파 파와 같은 정기적 인 진동을 분리하는 소프트웨어를 개발했습니다. 이것은 신경 과학자에게 행동, 인식 및 질병에서 그들의 역할을 풀기 위해 규칙적인 파도와 aperiodic 활동을 모두 해부하는 새로운 도구를 제공합니다.
.Voytek과 다른 과학자들이 다양한 방식으로 조사하고 있다는 현상은 많은 이름으로 진행됩니다. 일부는 이것을“1/ f 이라고 부릅니다 기울기”또는 "스케일 프리 활동"; 보이테크는“aperiodic signal”또는“aperiodic activity”를 바꾸려고 강요했다.
.그것은 단지 뇌의 기발한 것이 아닙니다. Lendner, Voytek 및 다른 사람들이 찾는 패턴은 과학자들이 1925 년 자연 세계와 기술 전반에 걸쳐 복잡한 시스템에서 주목하기 시작한 현상과 관련이 있습니다. 통계 구조는 너무 많은 다른 맥락에서 신비롭게 자극하여 일부 과학자들은 그것이 발견되지 않은 자연의 법칙을 대표한다고 생각합니다.
.발표 된 연구는 20 년 이상 부정맥 적 뇌 활동을 살펴 보았지만 아무도 그것이 의미하는 바를 확립 할 수 없었습니다. 그러나 이제 과학자들은 새로운 실험에서 aperiodic 신호를 분리하고 더 오래된 데이터를 보는 더 나은 도구를 가지고 있습니다. Voytek의 알고리즘 및 기타 방법 덕분에 지난 몇 년 동안 발표 된 많은 연구는 aperiodic 활동이 노화, 수면, 어린 시절 발달 등에 대한 연구를 발전시킬 수있는 숨겨진 보물이 포함되어 있다는 생각으로 실행되었습니다.
aperiodic 활동이란 무엇입니까?
우리 몸은 심장 박동과 호흡의 친숙한 리듬에 홈이 생겼습니다. 생존에 필수적인주기. 그러나 뇌에는 패턴이없는 것처럼 보이는 똑같이 중요한 드럼 비트가 있으며 행동과 인식의 토대에 대한 새로운 단서가 포함될 수 있습니다.
뉴런이 글루타메이트라는 화학 물질을 다른 뉴런으로 보내면 수용자가 발사 가능성이 더 높아집니다. 이 시나리오를 여기라고합니다. 반대로, 뉴런이 신경 전달 물질 감마-아미노 부티르산 또는 GABA를 뱉어 내면, 수용자 뉴런은 발사 가능성이 줄어 듭니다. 그것은 억제입니다. 어느 쪽이든 결과가 너무 많습니다 :흥분이 사라진 건초 와이어는 발작으로 이어지고, 억제는 수면을 특징으로하고, 더 극단적 인 경우에, 혼수 상태에서
.흥분과 억제 사이의 섬세한 균형을 연구하기 위해 과학자들은 뇌의 전기 활동을 뇌파로 또는 EEG로 측정합니다. 자전거의 순환 및 억제는 다른 정신 상태와 관련된 파도를 형성합니다. 예를 들어, 약 8 ~ 12 Hertz의 뇌 방출은 수면과 관련된 알파 파 패턴을 형성합니다.
그러나 뇌의 전기 출력은 완벽하게 부드러운 곡선을 생성하지 않습니다. 대신, 선이 피크를 향해 경사지와 트로프쪽으로 내려 가면서 지터를 지는다. 때때로 뇌 활동은 규칙 성이 없으며 대신 전기 소음처럼 보입니다. 이것의 "화이트 노이즈"구성 요소는 정적과 같이 진정으로 무작위이지만 일부는 더 흥미로운 통계 구조를 가지고 있습니다.
Voytek와 같은 신경 과학자에게 관심이 부드러움과 소음에서의 결함입니다. "무작위이지만 다른 종류의 무작위가 있습니다."
이 단부 활동을 정량화하기 위해 과학자들은 원시 EEG 데이터를 분해합니다. 그들은 먼저 푸리에 분석이라는 기술을 사용합니다. 시간이 지남에 따라 플롯 된 모든 데이터 세트는 사인파와 같은 삼각형 함수의 합으로 표현 될 수 있으며, 이는 빈도와 진폭 측면에서 표현 될 수 있습니다. 과학자들은 전력 스펙트럼이라는 그래프에서 다른 주파수에서 파도 진폭을 플로팅 할 수 있습니다.
전력 스펙트럼의 진폭은 일반적으로 값의 넓은 범위로 인해 로그 좌표로 표시됩니다. 순전히 임의의 백색 노이즈의 경우, 전력 스펙트럼 곡선은 비교적 평평하고 수평이며 모든 주파수에서 거의 동일하기 때문에 경사가 0입니다. 그러나 신경 데이터는 음의 기울기가있는 곡선을 생성하여 낮은 주파수가 더 높은 진폭을 갖고 강도는 더 높은 주파수에 대해 기하 급수적으로 떨어집니다. 이 모양을 1/ f 이라고합니다 , 주파수와 진폭 사이의 역 관계를 언급합니다. 신경 과학자들은 경사의 평탄성이나 가파른 점이 뇌의 내부 작업에 대해 무엇을 나타낼 수 있는지에 관심이 있습니다.
이러한 방식으로 EEG 데이터를 분석하는 것은 고속도로의 다리에서 제작 된 오디오 녹음의 음파를 보는 것과 유사하다고, 브리티시 컬럼비아 대학의인지 신경 과학자 인 Lawrence Ward는 설명합니다. 무작위로 지나가는 자동차의 타이어의 윙윙 거리는 관점적 배경 특징을 만들어 내지 만 10 분마다 호루라기를하는 근처의 열차는 배경보다 더 큰 데이터의 피크로주기적인 신호를 생성합니다. Long Horn Honk 또는 차량 충돌과 같은 갑작스런 일회성 이벤트는 사운드 파에서 눈에 띄는 스파이크를 만들어 전체 1/ f 에 기여합니다. 경사.
1/ f 의 인식 현상은 진공 튜브의 소음을보고있는 Bell Telephone Laboratories의 J.B. Johnson의 1925 년 논문으로 거슬러 올라갑니다. 독일 과학자 Hans Berger는 불과 4 년 후 최초의 Human EEG 연구를 발표했습니다. 이후 수십 년 동안의 신경 과학 연구는 뇌 활동에서 두드러진주기적인 파도에 크게 초점을 맞췄습니다. 그러나 1/ f 변동은 모든 종류의 전기 소음, 주식 시장 활동, 생물학적 리듬 및 심지어 음악 조각에서 발견되었으며 그 이유를 아무도 몰랐습니다.
아마도 그것이 보편적 인 것처럼 보였기 때문에 많은 생물 학자들은 1/ f 의 렌즈를 통해 소음을 보는 것이라는 생각을 기각했습니다. 특성은 유용한 신호를 산출 할 수 있습니다. 그들은 그것이 사용 된 과학 도구의 소음의 한 형태라고 생각했다. Biyu J는 뉴욕 대학교 그로스 만 의과 대학의 신경학, 신경 과학 및 생리학 조교수 인 2014 년인지 과학 트렌드에 대한 검토에서 을 썼다. .
그러나 그와 다른 사람들은 계측기 노이즈를 제어하는 실험을 통해 그 아이디어를 논의했으며, 이는 aperiodic 뇌 활동보다 훨씬 작은 크기로 판명되었습니다. Neuron 의 2010 년 논문에서 , 그와 그녀의 동료들은 또한 EEG가 읽을 때, 지상의 지진파 및 주식 시장 변동이 모두 1/ f 을 전시한다는 것을 발견했습니다. 트렌드, 이러한 소스의 데이터는 다른 고차 통계 구조를 보여줍니다. 그 통찰력은 단일 자연의 법칙이 모든 것에 aperiodic 신호를 생성한다는 생각에 찌그러짐을 겪었습니다.
그러나 완전히 해결 된 질문은 아닙니다. Ward는 다른 맥락에서 수학적 공통점을 발견했으며 근본적인 일이 무대 뒤에서 진행될 수 있다고 생각합니다.
어느 쪽이든, 와드와 그는 뇌에서 더 깊이 조사 할 가치가 있다는 데 동의합니다.
“수십 년 동안 뇌 활동은‘1/ f 에 포함되었습니다 ``경사는 중요하지 않은 것으로 간주되었으며 종종 뇌 진동을 강조하기 위해 분석에서 제거되었습니다. "라고 그는 2014 년 논문에서 썼습니다. "그러나 최근 몇 년 동안, 증거가 증가하는 증거는 스케일이없는 뇌 활동이 뇌 기능에 적극적으로 기여한다는 것을 시사합니다."
노이즈의 새로운 신호
보이테크는 아페리오드 신호 주제에 빠졌다. 그러나 그는 소음을 끌어 내기 위해 코드를 해킹하면서 흥미로운 것에 더 많은 관심을 기울이기 시작했습니다.
Voytek은 2015 년 버클리의 신경 과학 교수 인 Robert Knight와 함께 2015 년 연구에서 발견 된 Voytek은 노인의 두뇌보다 젊은 성인의 뇌보다 더 이상 활동적인 활동을하는 것으로 보입니다. 보이 테크와 기사는 뇌가 나이가 들어감에 따라 백인 소음에 의해 더 많이 지배된다는 것을 관찰했다. 또한이 소음과 연령 관련 작업 메모리가 감소하는 것 사이의 상관 관계를 발견했습니다.
Voytek는 신경 과학자가 오래된 데이터 세트를 포함하여주기적이고 아페리어 특징을보다 쉽고 자동으로 분리 할 수있는 소프트웨어를 갖기를 원했고 연구자들이 의미있는 1/ f 을 찾도록 도와줍니다. 트렌드. 그래서 그와 그의 팀은 그렇게 할 수있는 알고리즘에 대한 프로그램을 썼습니다.
이와 같은 도구에 대한 수요는 즉시 명확 해졌습니다. Voytek과 동료들이 2018 년 4 월 11 일 웹 사이트 Biorxiv.org에 코드를 게시 한 후 한 달 안에 거의 2,000 개의 다운로드를 받았습니다. 그해 11 월, 보이테크는 신경 과학 협회 (Society for Neuroscience Conference)에서 그것을 사용하는 방법에 대한 스탠딩 룸 전용 대화를 중재했습니다. 인기 때문에 그는 실험실 팀이 수십 명의 관심있는 과학자들에게 기술 지원을 제공하는 마지막 순간 후속 세션을 조직했습니다. 튜토리얼 및 이메일 교환으로 새로운 협력이 이루어졌습니다.
이러한 협력 중 하나는 Lendner의 수면 중에 각성에 대한 마커 연구였습니다. 온라인 저널 elife Voytek의 소프트웨어를 통해 Lendner와 그녀의 동료들은 테스트 대상의 EEG의 aperiodic 소음에서 깨어있을 때보 다 REM 수면 중에 고주파 활동이 더 빨리 떨어 졌다는 것을 발견했습니다. 다시 말해서, 전력 스펙트럼의 경사는 가파르다.
그들의 논문에서 Lendner와 그녀의 공동 저자는 aperiodic 신호가 사람의 의식 상태를 측정하기위한 독특한 서명 역할을 할 수 있다고 주장합니다. 이와 같은 새로운 객관적인 마커는 마취 실습과 혼수 상태에 대한 치료를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Voytek의 코드를 사용한 다른 출판 된 연구에는 ADHD 약물 효능에 대한 조사와 자폐증이있는 사람들의 뇌 활동의 성 기반 차이에 대한 연구가 포함되었습니다. 이 코드는 처음으로 동료 검토 저널에 게시되었습니다- Nature Neuroscience - 2020 년 11 월; UC San Diego의 Thomas Donoghue, Matar Haller (Berkeley) 및 Erik Peterson (UC San Diego) 은이 논문의 공동 우선 작가였으며 버클리의 Avgusta Shestyuk가 보이테크의 공동 저자로 봉사했습니다. 그들과 팀의 다른 멤버들은 시뮬레이션 된 데이터에 대한 코드의 성능과 새로운 결과를 공개 할 수있는 잠재력을 보여주었습니다.
Voytek의 실험실의 박사후 연구원 인 Natalie Schaworonkow는 일반적으로 Alpha Waves와 같은 정기적 인 진동을 연구합니다.“Aperiodic 신호보다 더 아름답습니다. 그러나 그녀의 관심사가 최근에 유아 뇌와인지 발달의 시그니처 인 전기 패턴으로 바뀌었을 때, 그녀는 유아 가이 우아한 알파 파를 생산하지 않기 때문에 문제에 직면했습니다. 파도가 언제, 어떻게 나타나기 시작하는지 정확히 열린 질문입니다.
그녀는 알고리즘을 사용하여 영아 뇌 활동의 열린 EEG 데이터 세트를 분석했습니다. 발달인지 신경 과학 에 출판 된 새로운 논문에서 , Schaworonkow와 Voytek은 생후 첫 7 개월 동안 aperiodic 활동에 큰 변화를 발견했습니다. 그러나이 활동이 어린이가 자라거나 회백질 밀도가 증가함에 따라 작업에 대한 더 큰 참여를 반영하는지 여부를 파악하려면 더 많은 연구가 필요합니다.
Voytek의 코드는 최근의 많은 연구를 주도했지만 Aperiodic 소음 분석을위한 도시에서 유일한 게임은 아닙니다. 2015 년, 기술 회사 Nvidia의 Haiguang Wen과 Michigan University의 Zhongming Liu가 Purdue University에서 근무했을 때 (Wen은 연구 조교 였고 Liu는 부교수였습니다), 뇌 활동에서 주기적 구성 요소를 분리하는 다른 접근법 (IRASA). 한편, Biyu는 이러한 도구 중 하나가 현장에 도착하기 전부터 주제를 연구 해 왔습니다. 후기 신경 과학자 인 월터 제이 프리먼 (Walter J. Freeman)도 보이 테크에게 영감을 주었다. 이런 종류의 작업을 손으로 할 수 있지만 훨씬 더 많은 시간이 소요됩니다.
신경 과학자가주기적이고 aceriodic 신호 측면에서 데이터를 쉽게 검사 할 수있는 도구를 갖는 것은 데이터 자체가 특정 기간 동안 수집 된 일련의 숫자이기 때문에 중요합니다. 포인트 자체의 그래프 자체는 뇌 기능 또는 오작동에 대해 아무 말도하지 않습니다.
“해석은 신경 과학에서 중요한 것입니다. 그것이 우리가 임상 의사 결정을 내리고 약물 개발과 이런 종류의 모든 것들을 만드는 것이기 때문입니다.”라고 Voytek은 말했습니다. 문헌에서 엄청난 데이터 세트는 이런 식으로 재검토 할 때 새로운 통찰력을 산출 할 수있는 잠재력을 가지고 있으며,“우리는 우리가 필요로하는 그대로 그것들을 풍성하게 해석하지 않았습니다.”
.무슨 뜻입니까?
과학자들의 이러한 aperiodic 특징에 대한 탐구에서 큰 한계는 아무도 생리 학적으로 어떤 원인을 유발하는지 정확히 알지 못한다는 것입니다. McGill University의 신경과 신경 외과, 생물 의학 공학 및 컴퓨터 과학 교수 인 Sylvain Baillet은 다른 신경 전달 물질, 신경 회로 및 대규모 네트워크 상호 작용의 각 기여를 명확히하기 위해 더 많은 연구가 필요하다고 말했다.
Baillet은“원인과 출처는 여전히 식별되지 않았다”고 말했다. "그러나 우리는 지식과 관찰을 축적하기 위해이 연구를 수행해야합니다."
한 가지 이론은 뇌 신호가 어떻게 뇌가 건강하고 활동적으로 유지 해야하는 흥분과 억제 사이의 섬세한 균형을 반영한다는 것입니다. 너무 많은 흥분이 뇌에 과부하가 걸릴 수 있지만, 너무 많은 억제로 인해 잠이들 수 있다고 Lendner는 말했다.
기사는 설명이 올바른 길에 있다고 생각합니다. "나는 그것이 긍정적이라고 말하고 싶지 않다는 것은 그것이 억제 비율 변화라고 말하고 있지만 그것이 가장 어려운 설명이라고 생각한다"고 그는 말했다.
대안적인 아이디어는 aperiodic 신호가 단순히 뇌의 물리적 조직을 반영한다는 것입니다.
다른 물리 시스템이 1/ f 을 반영하는 방식에 기초합니다 행동, 와드는 뇌에 어떤 종류의 구조적, 계층 적 관계가있을 수 있다고 생각합니다. 예를 들어, 이것은 수많은 뉴런이 그룹으로 조직되는 방식으로 인해 발생하여 함께 작동하는 더 큰 영역을 형성합니다.
1/ f 과 관련된 뇌 활동 트렌드는 자연 환경에서 감각 입력을 처리하는 데 이상적으로 적합 할 수 있습니다. -유형 변동이라고 그는 말했다. 그녀의 2018 년 Journal of Neuroscience 뇌가 1/ f 가있는 소리에 대해 어떻게 예측할 수 있는지 탐구합니다. 그녀는 단부 활동이“자연 주의적 자극 처리 및 예측에 관여하고있다”고 이메일에서 말했다. 재즈에서 바흐에 이르기까지 음악이 1/ f 을 가질 수 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 속성 - 결국 음악은 인간의 뇌의 창조입니다.
Voytek은 Aperiodic 신호가 어디에서 왔는지에 대한 가설을 테스트하기 위해 연구자들은 어떤 종류의 신경 회로가 그들에게 어떤 종류의 신경 회로가 일으킬 수 있는지 더 자세히 살펴볼 필요가 있다고 말했다. 그런 다음 신경 과학자들은 특정 활동 패턴을 생성하는 신경 메커니즘이 어떤 신경 메커니즘이 특정 활동 패턴을 생성하는지에 대한 더 나은 아이디어를 위해 뇌의 전체 생리학에 부위를 연결하려고 시도 할 수 있으며, aperiodic 및주기적인 신호가 다른 뇌 장애에서 어떻게 보일지 예측할 수 있습니다.
.Voytek은 또한 기존 데이터 세트에 코드를 적용하여 미개척 신호를 괴롭히는 더 많은 대규모 연구를하기를 희망합니다.
Lendner와 Knight는 현재 앨라배마 대학교의 COMA 환자에 대한 데이터를 분석하여 Aperiodic 활동이 COMA의 진화 방식과 관련이 있는지 확인하고 있습니다. 그들의 예측은 사람이 혼수 상태에서 나오면 뇌의 고주파 활동이 증가하면 1/ f 의 변화로 나타날 것입니다. 경사. Lendner는 예비 결과가 유망하다고 말했다
Baillet의 경우, 뇌의 aperiodic 신호는 약간의 암흑 물질과 비슷합니다. 중력을 통해서만 정상적인 물질과 상호 작용하는 우주의 보이지 않는 비계입니다. 우리는 그것이 무엇을 만들고 있는지 또는 그 속성이 무엇인지 이해하지 못하지만, 천상의 배경에 있으며 은하수를 함께 모으고 있습니다.
과학자들은 이러한 묘상 신호의 원인을 아직 찾지 못했지만 우리 머리의 우주에 대한 필수 지원 구조도 반영 할 수도 있습니다. 신비한 것이 우리의 마음을 깨우는 것에서 잠에서 잠을자는 데 도움이 될 수 있습니다.
