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La criticità è un marchio di garanzia delle reti normalmente di funzionamento del cervello, manifestazioni della ricerca

I ricercatori lungamente si sono domandati come miliardi di neuroni indipendenti nel cervello vengono insieme a costruire attendibilmente un commputer biologico che batte facilmente i computer più avanzati. Tutte quelle interazioni minuscole sembrano essere legate a qualcosa che garantisca una capacità di calcolo impressionante.

In questi ultimi 20 anni, prova montata a sostegno di una teoria che il cervello sintonizza stesso ad un punto in cui è eccitabile come può essere senza fornire di punta in disordine, simile ad una transizione di fase. Questa ipotesi della criticità asserisce che il cervello è sospeso sulla linea sottile fra stasi e caos. Esattamente a questa riga, l'elaborazione delle informazioni è massimizzata.

Tuttavia, una delle previsioni chiave di questa teoria -- quella criticità è vero un'inevitabilità del punto vincente e e non mera -- non era stato provato mai. Finora. La nuova ricerca dall'università di Washington a St. Louis direttamente conferma questa previsione di lunga durata nei cervelli liberamente di comportamento degli animali.

“Quando i neuroni si combinano, attivamente cercano un regime critico,„ ha detto Keith Hengen, assistente universitario di biologia nelle arti & nelle scienze e autore principale del 7 ottobre pubblicato nuovo documento nel neurone del giornale. “Il nostro lavoro recente convalida gran parte dell'interesse teorico nella criticità e dimostra che la criticità è un marchio di garanzia delle reti normalmente di funzionamento.„

La criticità attivamente è regolamentata, i ricercatori determinati. Ma i meccanismi che sono alla base di questo stato ottimizzato non sono diretti.

Siamo stati sorpresi trovare che, nei nostri modelli, in gran parte è stato rappresentato da una popolazione dei neuroni inibitori che, nello sguardo retrospettivo, sono opportuno sospesi regolamentare l'organizzazione di più grande rete.„  

Keith Hengen, autore principale

Un'osservazione diretta di criticità

La criticità è il solo regime di calcolo conosciuto che, tramite la sua definizione stessa, ottimizza l'elaborazione delle informazioni -- quali la memoria, la gamma dinamica e la capacità di codificare e trasmettere i reticoli complessi.

I fisici teorici originalmente hanno proposto che il cervello potesse essere critico. I neuroscenziati hanno avuti una reazione mista.

“C'è una lunga storia di lavoro teorico solido sulla criticità e una certa controversia di divertimento che aggiunge la spezia,„ Hengen ha detto. “Penso che questa controversia venga da due posti. In primo luogo, gran parte del lavoro in vivo è stato in gran parte descrittivo, penso perché questi gruppi di dati sono duri da raccogliersi e sfidando per analizzare. Qualsiasi modo, dimostrazione diretta che la criticità è qualcosa a cui il cervello assistesse è stato assente.

“In secondo luogo, c'è stato abbastanza un bit dell'argomento sull'uso della gente di per la matematica misurare la criticità,„ Hengen ha detto. “Recentemente, la gente si è mossa a partire dalla misurazione delle leggi esponenziali semplici, che possono schioccare da disturbo casuale ed ha cominciato esaminare qualcosa chiamato la relazione dell'esponente. Finora, quella è la sola impronta vera della criticità ed è la base di tutte le nostre misure.„

“Il nostro laboratorio porta un contributo molto alto di calibro alla discussione sulla criticità nel cervello -- a causa della risoluzione [singolo neurone] ed a causa del tempo totale stiamo guardando attraverso,„ ha detto. “Possiamo guardare la dinamica critica in funzione di tempo attraverso incredibilmente un lungo periodo.„

Il primo autore di nuovo studio è Zhengyu mA, un laureato recente di fisica di PhD nelle arti & le scienze, che hanno condotto il suo lavoro con Ralf Wessel, professore di fisica. La ricerca attinge i dati dalle registrazioni di un neurone liberamente di comportamento dei mouse che Hengen ha raccolto alla Brandeis University. Hengen da allora ha costruito il suo proprio laboratorio all'università di Washington e sta raccogliendo le sue proprie registrazioni di un neurone -- registrazioni che misurano i mesi e le centinaia di neuroni.

Tali registrazioni sono straordinario dato-intensive e tecnicamente provocatorie.

“La risoluzione temporale è molto alta -- quello è un vantaggio,„ Ma ha detto. “Inoltre, possono registrare i nove giorni. Ancora molto sono sorpreso da questo. Ci non sono molti laboratori che possano raggiungere i nove giorni della registrazione.„ Con poche eccezioni, la di stato de pratica precedente per le registrazioni di un neurone era 30 minuti ad alcune ore, cime -- un massimo che usa per limitare le prove sperimentali della criticità.

Con il mA che contribuisce al sollevamento pesante di calcolo, Hengen ed i suoi co-author hanno combinato col passare del tempo ed elaborato i dati da molte registrazioni del unico neurone di Hengen per modellare l'attività attraverso le intere reti neurali.

La criticità è interrotta, quindi riappare

Approfittando della loro capacità di tenere la carreggiata continuamente l'attività dei neuroni per più di una settimana, i ricercatori in primo luogo hanno confermato che la dinamica della rete nella corteccia visiva robusto è sintonizzata alla criticità, anche attraverso i cicli leggeri e scuri.

Dopo, bloccando la visione in un occhio, i ricercatori hanno rivelato che la criticità è stata interrotta severamente, più di un giorno prima della manipolazione ha pregiudicato le portate del riscaldamento di diversi neuroni.

Ventiquattro ore più successivamente, la criticità ha riapparso nelle registrazioni -- a quali diversi neuroni del punto sono stati soppressi tramite la privazione visiva.

“Sembra che non appena c'è un disadattamento fra cui l'animale prevede e cui sta passando attraverso quell'occhio, il dinamico di calcolo vada in pezzi,„ Hengen ha detto.

“Questo è coerente con la fisica teorica che il regime critico è indipendente di portata del riscaldamento,„ lui ha detto. “Non è circa appena il numero totale delle punte nella rete, perché la portata del riscaldamento non è cambiato affatto alla parte precedente della privazione molto -- ma il regime va in pezzi.„

I ricercatori ora ritengono che la criticità nel cervello probabilmente sia connessa ai neuroni inibitori che impongono e che organizzano la dinamica di calcolo.

Attivamente sintonizzando

I risultati hanno potuto avere implicazioni importanti per l'apprendimento motorio e per la malattia. L'auto-organizzazione del cervello intorno alla criticità è un trattamento attivo, Hengen ha notato ed il regolamento omeostatico alterato sempre più è implicato in patologie umane severe quali Alzheimer, l'epilessia, la sindrome di Rett, l'autismo e la schizofrenia.

“L'un'interpretazione di questo lavoro è che la criticità è uno scopo finale omeostatico per le reti nel cervello,„ Hengen ha detto. “È un'idea elegante: che il cervello può sintonizzare ordinatamente i beni emergenti ad un punto ha predetto dai fisici. E ha significato intuitivo, quell'evoluzione selezionata per i pezzi che provocano una soluzione ottimale. Ma chi vivrà vedrà. C'è molto lavoro da fare.„