La criticalidad es un sello de las redes normalmente de funcionamiento del cerebro, demostraciones de la investigación

Los investigadores se preguntaban de largo cómo los mil millones de neuronas independientes en el cerebro vienen juntos construir seguro una máquina biológica que bata fácilmente las computadores más avanzadas. Todas esas acciones recíprocas minúsculas aparecen ser atadas algo que garantiza una capacidad de cómputo impresionante.

Durante los últimos 20 años, pruebas montadas en apoyo de una teoría que el cerebro sintoniza sí mismo a un punto donde está tan excitable como puede estar sin inclinar en desorden, similar a una transición de fase. Esta hipótesis de la criticalidad afirma que el cerebro está contrapesado en la línea fina entre la quietud y el caos. En exactamente esta línea, se maximiza la tratamiento de la información.

Sin embargo, una de las predicciones dominantes de esta teoría -- esa criticalidad es verdad un punto de ajuste, y no una simple inevitabilidad -- nunca había sido probado. Hasta ahora. La nueva investigación de la universidad de Washington en St. Louis confirma directamente esta prolongada predicción en los cerebros libremente de comportarse animales.

“Cuando las neuronas combinan, buscan activamente un régimen crítico,” dijo a Keith Hengen, profesor adjunto de la biología en artes y ciencias y autor importante del 7 de octubre publicado nuevo papel en la neurona del gorrón. “Nuestra nueva obra valida mucho del interés teórico en criticalidad y demuestra que la criticalidad es un sello de redes normalmente de funcionamiento.”

La criticalidad se regula activamente, los investigadores determinados. Pero los mecanismos que son la base de este estado optimizado no son directos.

Nos sorprendieron encontrar que, en nuestros modelos, fue explicado en gran parte por una población de neuronas inhibitorias que, en vista retrospectiva, se contrapesan bien para regular la organización de la red más grande.”  

Keith Hengen, autor importante

Una observación directa de la criticalidad

La criticalidad es el único régimen de cómputo sabido que, por su misma definición, optimiza la tratamiento de la información -- por ejemplo memoria, rango dinámico y la capacidad de codificar y de transmitir configuraciones complejas.

Los físicos teóricos propusieron originalmente que el cerebro pueda ser crítico. Los neurólogos tenían una reacción mezclada.

“Hay una larga historia del trabajo teórico sólido sobre criticalidad y una cierta controversia de la diversión que agrega la especia,” Hengen dijo. “Pienso que esta controversia viene a partir de dos lugares. Primero, mucho del trabajo in vivo ha sido en gran parte descriptivo, pienso porque estos grupos de datos son duros de cerco y desafiando para analizar. Cualquier manera, demostración directa que la criticalidad es algo al cual el cerebro asiste ha estado ausente.

“En segundo lugar, se hay muy una broca del argumento sobre el uso de la gente de la matemáticas de medir criticalidad,” Hengen dijo. “Recientemente, la gente se movió lejos de medir las leyes de potencia simples, que pueden dispararse fuera de ruido al azar, y ha comenzado a observar algo llamado la relación del exponente. Hasta ahora, ésa es la única firma verdadera de la criticalidad, y es la base de todas nuestras mediciones.”

“Nuestro laboratorio trae una contribución muy alta del calibre a la discusión de la criticalidad en el cerebro -- debido a la resolución [única neurona], y debido al tiempo total estamos observando a través,” él dijo. “Podemos mirar dinámica crítica en función de tiempo a través increíblemente de un largo periodo.”

El primer autor del nuevo estudio es Zhengyu el mA, graduado reciente de la física del doctorado en artes y las ciencias, que conducto su trabajo con Rafael Wessel, profesor de la física. La investigación extrae en datos de grabaciones neuronales libremente de comportarse los ratones que Hengen cerco en la universidad de Brandeis. Hengen ha construido desde entonces su propio laboratorio en la universidad de Washington, y él está cerco sus propias grabaciones neuronales -- grabaciones que atraviesan meses y centenares de neuronas.

Tales grabaciones son extraordinario dato-intensivas y técnico desafiadoras.

“La resolución temporal es muy alta -- eso es una ventaja,” Ma dijo. “También, pueden registrar nueve días. Esto muy me todavía sorprendo. No hay muchos laboratorios que pueden alcanzar nueve días de grabación.” Con pocas anomalías, la estado-de-práctica anterior para las grabaciones neuronales era 30 minutos a algunas horas, capotas -- un máximo que utiliza para limitar pruebas experimentales de la criticalidad.

Con el mA contribuyendo a levantar pesado de cómputo, Hengen y sus co-autores combinaron y tramitaron los datos de muchas grabaciones de la único-neurona de Hengen en un cierto plazo para modelar actividad a través de redes neuronales enteras.

La criticalidad se rompe, después reaparece

Aprovechándose de su capacidad de rastrear contínuo la actividad de las neuronas para más que una semana, los investigadores primero confirmaron que las dinámicas de la red en la corteza visual robusto están sintonizadas a la criticalidad, incluso a través de ciclos livianos y oscuros.

Después, cegando la visión en un aro, los investigadores revelaron que la criticalidad fue rota seriamente, más que un día antes de la manipulación afectó a los índices de despedida de neuronas individuales.

Veinticuatro horas más adelante, la criticalidad reapareció en las grabaciones -- en qué neuronas individuales del punto fueron suprimidas por la privación visual.

“Parece que tan pronto como haya un desequilibrio de impedancia entre lo que prevee el animal y lo que está consiguiendo a través a ese aro, se deshace el dinámico de cómputo,” Hengen dijo.

“Esto es constante con la física teórica que el régimen crítico es independiente del despedida-régimen,” él dijo. “No está sobre apenas el número total de picos en la red, porque el régimen de despedida no ha cambiado en absoluto en la parte anterior muy de privación -- pero el régimen se deshace.”

Los investigadores ahora creen que la criticalidad en el cerebro está conectada probablemente con las neuronas inhibitorias que imponen y que ordenan la dinámica de cómputo.

Activamente sintonizando

Las conclusión podían tener implicaciones importantes para el aprendizaje de motor y para la enfermedad. La uno mismo-organización del cerebro alrededor de la criticalidad es un proceso activo, Hengen observó, y la regla homeostática empeorada se implica cada vez más en patologías humanas severas tales como Alzheimer, epilepsia, síndrome de Rett, autismo y esquizofrenia.

“Una interpretación de este trabajo es que la criticalidad es un objetivo final homeostático para las redes en el cerebro,” Hengen dijo. “Es una idea elegante: que el cerebro puede sintonizar una propiedad emeregente a un punto cuidadosamente predijo por los físicos. Y tiene sentido intuitivo, esa evolución seleccionada para los pedazos que dan lugar a una solución óptima. Pero el tiempo dirá. Hay mucho trabajo que se hará.”