O criticidade é uma indicação de redes normalmente de funcionamento do cérebro, mostras da pesquisa

Os pesquisadores quiseram saber por muito tempo como biliões de neurônios independentes no cérebro vêm junto construir confiantemente uma máquina biológica que batesse facilmente os computadores os mais avançados. Todas aquelas interacções minúsculas parecem ser amarradas a algo que garante uma capacidade computacional impressionante.

Sobre os 20 anos passados, evidência montada a favor de uma teoria que o cérebro ajuste próprio a um ponto onde seja tão excitável como pode ser sem derrubar na desordem, similar a uma transição de fase. Esta hipótese do criticidade afirma que o cérebro poised na linha ténue entre a tranqüilidade e o caos. Exactamente nesta linha, o processamento de informação é maximizado.

Contudo, uma das previsões chaves desta teoria -- esse criticidade é verdadeiramente um ponto ajustado, e não uma mera inevitabilidade -- tinha sido testado nunca. Até aqui. A pesquisa nova da universidade de Washington em St Louis confirma directamente esta previsão de longa data nos cérebros livremente de comportar-se animais.

“Quando os neurônios combinam, procuram activamente um regime crítico,” disse Keith Hengen, professor adjunto da biologia nas artes & nas ciências e autor principal papel novo do 7 de outubro publicado no neurônio do jornal. “Nossa nova obra valida muito do interesse teórico no criticidade e demonstra que o criticidade é uma indicação de redes normalmente de funcionamento.”

O criticidade é regulado activamente, os pesquisadores determinados. Mas os mecanismos que são a base deste estado aperfeiçoado não são directos.

Nós fomos surpreendidos encontrar que, em nossos modelos, estêve esclarecido pela maior parte por uma população dos neurônios inibitórios que, no retrospecto, poised bem para regular a organização da rede maior.”  

Keith Hengen, autor principal

Uma observação directa do criticidade

O criticidade é o único regime computacional conhecido que, por sua definição mesma, aperfeiçoa o processamento de informação -- como a memória, o alcance dinâmico e a capacidade para codificar e transmitir testes padrões complexos.

Os físicos teóricos propor originalmente que o cérebro pudesse ser crítico. Os neurocientistas tiveram uma reacção misturada.

“Há uma longa história do trabalho teórico contínuo no criticidade e alguma controvérsia do divertimento que adiciona a especiaria,” Hengen disse. “Eu penso que esta controvérsia vem de dois lugares. Primeiramente, muito do trabalho in vivo foi pela maior parte descritivo, eu penso porque estes conjunto de dados são duros de recolher e desafiando para analisar. De qualquer maneira, a demonstração directa que o criticidade é algo a que o cérebro atende foi ausente.

“Em segundo, é havido bastante um bit do argumento sobre o uso dos povos da matemática medir o criticidade,” Hengen disse. “Recentemente, os povos moveram-se longe de medir as leis de potência simples, que podem estalar fora do ruído aleatório, e começaram olhar algo chamado a relação do exponente. Até agora, aquela é a única assinatura verdadeira do criticidade, e é a base de todas nossas medidas.”

“Nosso laboratório traz uma contribuição muito alta do calibre para o exame do criticidade no cérebro -- devido à definição [único neurônio], e devido ao tempo total nós estamos olhando transversalmente,” disse. “Nós podemos olhar a dinâmica crítica em função do tempo através incredibly de um longo período.”

O primeiro autor do estudo novo é Zhengyu o miliampère, um graduado recente da física do PhD nas artes & as ciências, que conduziu seu trabalho com Ralf Wessel, professor da física. A pesquisa selecciona em dados das gravações neuronal livremente de comportar-se os ratos que Hengen recolheu na universidade de Brandeis. Hengen tem construído desde seu próprio laboratório na universidade de Washington, e está recolhendo suas próprias gravações neuronal -- gravações que medem meses e centenas de neurônios.

Tais gravações são extraordinària dados-intensivas e tècnica desafiantes.

“A definição temporal é muito alta -- aquela é uma vantagem,” Miliampère disse. “Também, podem gravar nove dias. Eu sou surpreendido ainda muito por este. Não há muitos laboratórios que podem alcançar nove dias da gravação.” Com poucas exceções, a estado--prática precedente para gravações neuronal era 30 minutos a algumas horas, partes superiores -- um máximo que se usa para limitar testes experimentais do criticidade.

Com o miliampère que contribui ao levantamento pesado computacional, Hengen e seus co-autores combinaram e processaram os dados gravações do único-neurônio de Hengen de muitas ao longo do tempo para modelar a actividade através das redes neurais inteiras.

O criticidade é interrompido, a seguir reemirje

Aproveitando-se de sua capacidade para seguir continuamente a actividade dos neurônios para mais do que uma semana, os pesquisadores confirmaram primeiramente que a dinâmica da rede no córtice visual está ajustada robusta ao criticidade, mesmo através dos ciclos claros e escuros.

Em seguida, obstruindo a visão em um olho, os pesquisadores revelaram que o criticidade estêve interrompido severamente, mais do que um dia antes da manipulação afectou as taxas de despedimento de neurônios individuais.

Twenty-four horas mais tarde, o criticidade reemirjiu nas gravações -- em que neurônios individuais do ponto foram suprimidos pela privação visual.

“Parece que assim que houver uma má combinação entre o que o animal espera e o que está obtendo completamente a esse olho, o dinâmico computacional cai distante,” Hengen disse.

“Isto é consistente com a física teórica que o regime crítico é independente da despedimento-taxa,” ele disse. “Não é sobre apenas o número total de pontos na rede, porque a taxa de despedimento não mudou de todo na parte inicial mesma de privação -- no entanto o regime cai distante.”

Os pesquisadores acreditam agora que o criticidade no cérebro está conectado provavelmente aos neurônios inibitórios que impor e que organizam a dinâmica computacional.

Activamente ajustando

Os resultados podiam ter implicações importantes para a aprendizagem de motor e para a doença. A auto-organização do cérebro em torno do criticidade é um processo activo, Hengen notou, e o regulamento homeostático danificado é implicado cada vez mais em patologias humanas severas tais como Alzheimer, epilepsia, síndrome de Rett, autismo e esquizofrenia.

“Uma interpretação deste trabalho é que o criticidade é um objetivo homeostático do fim para redes no cérebro,” Hengen disse. “É uma ideia elegante: que o cérebro pode ajustar uma propriedade emergente a um ponto ordenadamente previu pelos físicos. E faz o sentido intuitivo, essa evolução selecionada para os pedaços que causam uma solução óptima. Mas O tempo o dirá. Há muito trabalho a ser feito.”