ラットや他の動物の脳を分析しているブラジルの物理学者のチームは、脳が2つの動作モードの間の瀬戸際でバランスを取っていることを示す最も強力な証拠を発見しました。同時に、調査結果は、物議を醸しているこの「クリティカル ブレイン」仮説の当初の仮定のいくつかに異議を唱えています。
私たちの思考器官を構成するニューロンの巨大なネットワークが世界に関する情報をどのように処理するかを理解することは、神経科学者にとって困難な謎です。その広範なパズルの一部は、生命の無数の要求に対処するために単一の物理的構造を準備する方法です。 「脳が完全に無秩序であると、情報を処理できません」と、ブラジルのペルナンブコ連邦大学の物理学者であり、新しい研究の共著者であるマウロ・コペリは説明しました。 「秩序がありすぎると、環境の変化に対応するには硬直しすぎます。」
1990 年代、物理学者の Per Bak は、脳は臨界からさまざまなトリックを引き出しているという仮説を立てました。この概念は統計力学の世界に端を発しており、安定と騒乱の間で揺れ動く多くの部分からなるシステムを表しています。冬の雪の斜面を考えてみましょう。シーズン初期の雪の滑り台は小さく、シーズン後半のブリザードは雪崩を引き起こす可能性があります。秩序と大惨事のこれらの段階の間のどこかに、何かが起こる特定の積雪があります。次の混乱は、細流、雪崩またはその間の何かを引き起こす可能性があります.これらのイベントは、同じ確率で発生するわけではありません。むしろ、小さなカスケードは大きなカスケードよりも指数関数的に頻繁に発生し、さらに大きなカスケードよりも指数関数的に頻繁に発生します。しかし、物理学者が構成と呼ぶ「臨界点」では、事象のサイズと頻度は単純な指数関係を持っています。 Bak は、まさにそのようなスイート スポットに調整することで、脳が有能で柔軟な情報処理装置になると主張しました。
アイデアには浮き沈みがありました。それに関する最初の経験的証拠は、2003 年にラットの脳スライスから得られました。インディアナ大学の生物物理学者であるジョン ベッグスは、「神経雪崩」と呼ばれる発火ニューロンの連鎖反応が、臨界性に特徴的なサイズの特定の配列で発生することを発見しました。つまり、あらゆるサイズが可能でしたが、臨界点にある雪の斜面のように、雪崩の頻度はそのサイズに指数関数的に依存していました。 Beggs は、この「べき法則」の関係が脳スライスが重要であることを意味し、追跡調査の洪水を引き起こしたと主張した。しかし、批評家は最終的に、この主張が時期尚早であることを示しました。たとえば、タイプライターで猿が発する単語の頻度など、べき乗則はランダムなシステムにも現れるからです。
支持者は、他にも 2 つの難問に直面しました。べき乗則を定義する、いわゆる臨界指数 — たとえば、大きな雪崩に比べて小さな雪崩が何回発生するかを示す数 — は、設定によって変化し、脳の反応の背後にある普遍的なメカニズムの概念を信じていませんでした。 .さらに、実験者は、覚醒している動物の脳のより散発的な発火パターンよりも、深い睡眠中に最も頻繁に発生する同期した神経波において、臨界のより強い兆候を発見しました。この違いは、重要性と共時性の関係を予測していなかった研究者を困惑させました。
これらの課題に対処するために、コペリと彼の共同研究者は、特定の麻酔薬を使用してラットに薬物を投与しました。これにより、脳は同期の両極端の間でスイングし、時には睡眠に典型的な同期された方法で発火し、別の時には覚醒した脳のランダムな静的に似た方法で発火します。グループは、数十個の金属プローブを使用して一次視覚野の神経活動のうねりを記録し、神経雪崩のサイズと持続時間、およびサイズと持続時間の関係がすべて、さまざまな臨界指数を持つべき法則分布に適合することを発見しました。死んだラットの脳切片における Beggs の 2003 年の調査結果。
しかし、さらに進んで、ニューロンが特定の適度なレベルの同期性で発火した場合、これらの 3 つの指数は単純な方程式に従って一致することが示されました。指数間のこの関係は、2017 年に批評家によって提案されたより厳しい臨界テストを満たしました。麻酔をかけられたラットの脳は、ほとんどの時間をこの状態の近くで過ごし、2 つのフェーズの境界線の近くにあるように見えました。
「それは喫煙銃です。もう逃れることはできません」と、研究には関与していない Beggs 氏は述べています。 「これがランダムであると言うのは非常に難しいです。」
しかし、チームが臨界点がどこに落ちたかを詳細に調べたところ、元の臨界脳仮説で予測されたように、ラットの脳はニューロン活動の低い段階と高い段階の間でバランスが取れていないことがわかりました。むしろ、臨界点は、ニューロンが同期して発火するフェーズと、ニューロンの大部分が一貫性のない発火によって特徴付けられるフェーズを分離しました。この違いは、過去の臨界検索のヒットまたはミスの性質を説明する可能性があります。 「以前の研究からのデータを調整したという事実は、実際にはもっと一般的なことを示しています」と、コペリの同僚であり、Physical Review Lettersに掲載された研究の共著者であるペドロ・カレッリは述べています。 5月下旬
しかし、麻酔をかけられた脳は自然なものではないため、科学者たちは、自由に歩き回るマウスの神経活動を示す公開データの分析を繰り返しました。彼らは再び、動物の脳が 2017 年からの新しいゴールド スタンダードを満たす臨界を経験することがあるという証拠を発見しました。シンクロニシティ。
Copelli と Carelli は、この観察結果が、脳が臨界点の近くにいることを好むという考えに異議を唱えていることを認めています。しかし、彼らはまた、覚醒動物実験自体を実行しないと (法外に費用がかかります)、マウスのデータを最終的に解釈できないことも強調しています。たとえば、実験中の睡眠不足は、動物の脳を批判から遠ざけた可能性がある、と Copelli は述べた。
彼らとその同僚は、サルとカメに関する公開データも分析しました。完全な 3 指数関係で臨界を確認するにはデータ セットが少なすぎましたが、チームは雪崩のサイズと期間の分布を示す 2 つの異なるべき乗指数間の比率を計算しました。雪崩が広がる速さを表すこの比率は、種や動物が麻酔下にあるかどうかに関係なく、常に同じでした。 「物理学者にとって、これはある種の普遍的なメカニズムを示唆しています」とコペリは言いました。
フランスの国立科学研究センター (CNRS) の Alain Destexhe は、重要性のテストとして 3 つの指数を関連付ける方程式を提案した批評家であり、結果の普遍性を「驚くべき」と呼びましたが、それが正しいかどうかはわからないと述べました。批判的な脳の支持者が言うことを意味します。彼は、警戒心の強い脳の雪崩は、深い麻酔下の脳の雪崩と同様にスケールするため (感覚入力がない場合)、臨界は脳が情報を処理する方法とは何の関係もなく、脳のダイナミクスの他の側面に起因する可能性があると指摘しています。 .
次に、ブラジルのチームは、ラットの同期的および非同期的な脳のフェーズが行動にどのように関連するかを研究したいと考えています。これは、同期バーストが睡眠中に一般的であるだけでなく、覚醒している脳でも発生するという事実によって複雑になります.
他の研究では、睡眠が不安定化した脳を臨界点まで回復させることと関連づけられており、Beggs はさらなる研究によって、いつの日かメンタルヘルスと脳の物理学との間のより深い関係が確立されるかもしれないと考えています。しかし、コペリ氏によると、その前に、臨界分野はより基本的な問題に対処する必要があります。 「現在の理論では結果を説明することはできません」と彼は言い、彼と彼の同僚の新しい発見を意味し、「そのため、モデルの競争が再び開かれました。」
この記事はに転載されました Spektrum.de および で スペイン語 Investigacionyciencia.es .
