La criticalité est un cachet des réseaux normalement de fonctionnement de cerveau, expositions de recherches

Les chercheurs se sont longtemps demandés comment les milliards de neurones indépendants dans le cerveau viennent ensemble pour établir sûrement une machine biologique qui bat facilement les ordinateurs les plus avancés. Toutes ces interactions minuscules semblent être attachées à quelque chose qui garantit une capacité de calcul impressionnante.

Au cours des 20 dernières années, preuve montée à l'appui d'une théorie que le cerveau ajuste lui-même à une remarque où il est aussi excitable qu'il peut être sans diriger dans le trouble, assimilée à un passage de phase. Cette hypothèse de criticalité affirme que le cerveau est porté en équilibre sur la ligne fine entre l'arrêt progressif et le chaos. Exact à cette ligne, le traitement des données est maximisé.

Cependant, une des prévisions principales de cette théorie -- cette criticalité est vraiment une inévitabilité de point de consigne et et pas simple -- n'avait été jamais vérifié. Jusqu'ici. La recherche neuve de l'université de Washington à St Louis confirme directement cette prévision de longue date dans les cerveaux de se comporter librement des animaux.

« Quand les neurones combinent, ils cherchent activement un régime critique, » a dit Keith Hengen, professeur adjoint de biologie dans les arts et les sciences et auteur important du 7 octobre publié de papier neuf dans le neurone de tourillon. « Nos travaux récents valident une grande partie de l'intérêt théorique pour la criticalité et expliquent que la criticalité est un cachet des réseaux normalement de fonctionnement. »

La criticalité est activement réglée, les chercheurs déterminés. Mais les mécanismes étant à la base de cette condition optimisée ne sont pas droits.

Nous étions étonnés de constater que, dans nos modèles, elle a été en grande partie représentée par une population des neurones inhibiteurs qui, dans la vue rétrospective, sont bien portés en équilibre pour régler l'organisme du réseau plus grand. »  

Keith Hengen, auteur important

Une observation directe de criticalité

La criticalité est le seul régime de calcul connu qui, par sa définition même, optimise le traitement des données -- comme la mémoire, la dynamique et la capacité de coder et transmettre les configurations complexes.

Physiciens théoriques initialement proposés qui le cerveau peut être critique. Les neurologistes ont eu une réaction mélangée.

« Il y a une longue histoire de travail théorique solide sur la criticalité et une certaine polémique d'amusement qui ajoute l'épice, » Hengen a dit. « Je pense que cette polémique vient de deux places. D'abord, une grande partie du travail in vivo a été en grande partie signalétique, je pense parce qu'il est difficile de rassembler ces ensembles de données et contestant pour analyser. L'un ou l'autre de voie, démonstration directe que la criticalité est quelque chose laquelle le cerveau assiste a été absente.

« En second lieu, il y est eu bien un morceau d'argument au sujet de l'utilisation de gens de maths de mesurer la criticalité, » Hengen a dit. « Récent, les gens se sont éloignés de mesurer les lois de pouvoir simples, qui peuvent sauter hors du bruit fait au hasard, et ont commencé à regarder quelque chose appelée le rapport d'exposant. Jusqu'ici, c'est la seule signature vraie de la criticalité, et c'est la base de toutes nos mesures. »

« Notre laboratoire porte une cotisation très élevée de calibre à l'examen de la criticalité dans le cerveau -- à cause de la définition [neurone unique], et à cause du temps global nous examinons à travers, » il a dit. « Nous pouvons observer la dynamique critique en fonction du temps en travers d'une période incroyablement longue. »

Le premier auteur de l'étude neuve est les mamans de Zhengyu, un diplômé récent de physique de PhD dans les arts et les sciences, qui ont conduit son travail avec Ralf Wessel, professeur de la physique. La recherche tire sur des caractéristiques des enregistrements neuronaux de se comporter librement les souris que Hengen a rassemblées à l'université de Brandeis. Hengen a depuis établi son propre laboratoire à l'université de Washington, et il rassemble ses propres enregistrements neuronaux -- enregistrements qui enjambent des mois et des centaines de neurones.

De tels enregistrements sont extraordinairement à usage intensif de données et techniquement provocants.

« La définition temporelle est très élevée -- c'est un avantage, » Ma a dit. « En outre, ils peuvent enregistrer neuf jours. J'encore suis très étonné par ceci. Il n'y a pas beaucoup de laboratoires qui peuvent atteindre neuf jours de l'enregistrement. » À quelques exceptions près, la condition-de-pratique précédente pour les enregistrements neuronaux était de 30 mn à quelques heures, hauts -- un maximum qui emploient pour limiter les tests expérimentaux de la criticalité.

Avec des mamans contribuant au levage lourd de calcul, Hengen et ses co-auteurs ont combiné et ont traité les caractéristiques de beaucoup d'enregistrements du l'unique-neurone de Hengen au fil du temps pour modéliser l'activité en travers des réseaux neuronaux entiers.

La criticalité est perturbée, puis réapparaît

Tirant profit de leur capacité de suivre continuement l'activité des neurones pour plus qu'une semaine, les chercheurs ont confirmé la première fois que la dynamique de réseau dans le cortex visuel sont robuste ajustées à la criticalité, même en travers des cycles légers et foncés.

Ensuite, en bloquant la visibilité dans un oeil, les chercheurs ont indiqué que la criticalité a été sévèrement perturbée, plus qu'un jour avant la manipulation a affecté les cadences de tir de différents neurones.

Pendant vingt-quatre heures plus tard, la criticalité a réapparu dans les enregistrements -- à quels différents neurones de remarque ont été supprimés par la privation visuelle.

« Il semble que dès qu'il y aura un mésappariement entre ce que l'animal compte et ce qu'il obtient à cet oeil, le dynamique de calcul tombe en morceaux, » Hengen a dit.

« C'est compatible avec la physique théorique que le régime critique est indépendant d'allumage-rate, » il a dit. « Il n'est pas au sujet juste de tout le nombre de pointes dans le réseau, parce que la cadence de tir n'a pas changé du tout à la partie de privation très précédente -- mais le régime tombe en morceaux. »

Les chercheurs croient maintenant que la criticalité dans le cerveau est vraisemblablement branchée aux neurones inhibiteurs imposant et dispensant la dynamique de calcul.

Activement ajustant

Les découvertes ont pu avoir des implications importantes pour l'apprentissage moteur et pour la maladie. L'auto-organisme du cerveau autour de la criticalité est un procédé actif, Hengen a noté, et le règlement homéostatique nui est de plus en plus impliqué en pathologies humaines sévères telles qu'Alzheimer, l'épilepsie, le syndrome de Rett, l'autisme et la schizophrénie.

« Une évaluation de ce travail est que la criticalité est un objectif final homéostatique pour des réseaux dans le cerveau, » Hengen a dit. « C'est une idée élégante : que le cerveau peut ajuster une propriété émergente à une remarque d'une manière ordonnée a prévu par les physiciens. Et il semble raisonnable intuitif, cette évolution sélectée pour les morceaux qui provoquent une solution optimale. Mais qui vivra verra. Il y a beaucoup de travail à faire. »