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物理学家所说幂法则关系意味着脑切片位于临界
发布日期:2019-07-15   浏览次数: 次

物理学家所说幂法则关系意味着脑切片位于临界点

2019-07-14 13:59:05 网络推手刚总

脑神经元网络在两个状况之间的临界点上坚持平衡?新的试验证据在推进该理论的一起提出了应战。
上世纪90年代,物理学家珀·巴克(Per Bak)假定大脑的种种奇特之处都源自其临界性(criticality)。这个概念起源于统计力学范畴,用以描绘一个含多个组成部分的系统,在安稳和混乱之间摇摆不定。好比在冬季积雪的斜坡,初冬时雪量不大,而严冬的暴风雪可能引发大型雪崩。
在这些次序与灾难阶段之间的某处,有一个特别的积雪点,它可能开启任何状况:下一次的扰动可能会引发细微移动、大雪崩,或介于两者之间的事情。这些事情发作的可能性并不相同:小雪崩发作的频率比大雪崩高出指数级,而大雪崩发作的频率比更大的雪崩又高出指数级,以此类推。
在物理学家所说的“临界点”(critical point)上,事情的巨细和发作频率呈简略的指数联络。巴克以为,调整到临界点是大脑的最佳选择,这使得大脑成为了强大而灵活的信息处理器。
这个主意在兴衰沉浮中演进着。第一项经验证据来自2003年的大鼠脑切片试验,印第安纳大学的生物物理学家约翰·贝格斯(John Beggs)发现了放电神经元连锁反应,这一“神经元雪崩”的巨细序列具有临界特征。也就是说,任何规模的雪崩都有可能发作,但就像坐落临界点的积雪斜坡一样,雪崩的频率与规模呈指数联络。
贝格斯以为这种“幂法则”联络意味着脑切片坐落临界点。后续研讨接踵而至。但是,批评者最终指出这一结论太草率,由于幂法则也出现在随机系统中,比如猴子用打字机打出的单词频率。
印第安纳大学约翰·贝格斯试验室的大鼠皮层切片培养物。电极记录下了一系列“神经元雪崩”。Eric Rudd/Indiana University
支持者们还面临着别的两个难题:定义幂律的所谓临界指数(小雪崩与大雪崩发作次数的相对值)随设置不同而不同,这好像意味着脑反应背面不存在一个遍及的机制概念。此外,试验人员发现,相比警觉动物脑中较随机的激起形式,多见于深度睡觉动物脑中的同步神经波的临界信号更强烈。这一差异让研讨人员感到困惑,他们没有预料到临界性和同步性有关。
为了应对这些应战,科佩利及其合作者给大鼠使用一种特别的麻醉剂,让它们的大脑在同步性的南北极之间摇摆,有时以睡觉中典型的同步形式激起,其余时刻则接近于清醒大脑的随机静态。研讨小组用几十个金属探针记录了初级视觉皮层神经活动的激增,发现神经元雪崩的巨细和持续时刻,以及巨细和持续时刻之间的联络都契合幂律散布,只是具有不同的临界指数。这与贝格斯2003年在死亡大鼠的脑切片中发现的类似。
他们更进一步发现,当神经元以必定的中度同步性激起时,这三个指数可以根据一个简略的方程拟合在一起,它们之间的联络通过了批评者在2017年提出的更严厉的临界性测试。麻醉大鼠的脑大部分时刻都处于这种状况,好像在两个阶段的分界线上徜徉。
“这是铁板钉钉的事了。”贝格斯说(他没有参与这项研讨),“再也没有理由说这是随机的了。”
但是,当研讨小组仔细调查临界点处于什么方位时,发现大鼠的脑并不像最初的临界脑假说所预测的那样,在神经元活跃程度高、低两个阶段之间平衡,而是划分了这两个阶段:神经元同步激起,以及以非相干激起为主。这或许可以解释,为什么寻找临界点的既往研讨都像在碰运气。

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“事实上,咱们对早期研讨的数据进行了核对,这确实说明晰一些更为遍及的问题。”科佩利的搭档、该研讨的合著者佩德罗·卡雷利(Pedro Carelli)说。他们的研讨发表在5月下旬的《物理评论快报》上。
巴西佩纳姆布科大学一台显示器上的实时大鼠脑电生理记录。Leandro Álvaro de Alcantara Aguiar
但是麻醉后的脑并非处于自然状况下,因此科学家们使用自在活动的小鼠神经活动的公开数据重新进行了剖析。他们再次发现有证据表明,小鼠的脑有时展示出了满足2017年严厉规范的临界性。但是,与麻醉大鼠不同的是,小鼠脑中的神经元大部分时候都是异步放电,与所谓的半同步临界点相差甚远。
科佩利和卡雷利供认,这一调查成果对脑处于临界点左右的观点提出了应战。但是他们也着重,如果不在清醒的动物身上进行贵重的试验,他们就无法结论性地解释小鼠的数据。原因之一是,在试验中睡觉不足可能会使动物的大脑偏离临界状况,科佩利说。
他们还剖析了猴子和海龟的公开数据。尽管数据集很有限,无法用完好的三个指数联络来确定临界性,但研讨小组计算了两个不同幂指数之间的比率;这些指数表示雪崩巨细和持续时刻的散布。不管是什么物种,不管动物是否处于麻醉状况,这个代表雪崩扩散速度的比例总是相同的。“在咱们物理学家眼中,这意味着某种遍及的机制。”科佩利说。
法国国家科学研讨中心(CNRS)的阿兰·德斯泰克(Alain Destexhe)是提出用三个指数相关方程测试临界性的批评者,他说成果的遍及性“令人吃惊”,但他不确定这是否证明晰大脑临界点支持者的观点。他指出,由于警醒的脑中雪崩规模与深度麻醉下没有感觉输入的脑相似,临界性可能与大脑怎么处理信息无关,而是源于脑活动的其他方面。
接下来,巴西研讨小组期望研讨大鼠的同步和非同步大脑阶段与行为的联络。这个问题很复杂,由于同步激起一般发作在睡觉中,但也会在清醒的大脑中发作。
另一项研讨以为睡觉与将不安稳的脑状况康复到临界点有关。贝格斯以为,进一步的研讨可能有朝一日会在心理健康和大脑物理之间建立更深层的联络。但科佩利说,首要,临界性范畴还有更多基本问题亟待解决。“目前的理论无法解释我和搭档新发现的成果。”他说,“这又为新模型的竞赛打开了大门。”

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