IU神经科学家探索大脑中的神秘“事件”，为理解大脑损伤和紊乱打开了新的途径

使用一种新的大脑活动模型，印第安纳大学的计算神经科学家正在探索人类大脑中从未被检测过的惊人的活动爆发。这些爆发可能有潜力作为大脑疾病和条件的生物标记，如抑郁症、精神分裂症、痴呆和多动症。

　　

   

   

图片:Maria Pope

印第安纳大学的计算神经科学家Maria Pope、Richard Betzel和Olaf Sporns使用一种新的大脑活动模型，正在探索人类大脑中从未被检查过的惊人的活动爆发。这些爆发可能有潜力作为大脑疾病和条件的生物标记，如抑郁症、精神分裂症、痴呆和多动症。

在分析人类神经成像数据时，IU研究小组发现，在大脑中形成持续“事件”的短脉冲活动，无论大脑的活动或状态如何，总是在发生。研究人员发现，在10分钟的脑部扫描过程中，这些事件大约会发生10到20次，每次只持续几秒钟。

“人们没有看到的是，大脑区域之间的交流被这些短暂的瞬间打断了，在短短几秒钟的时间里，发生了很多事情。”伊利诺伊大学布卢明顿分校文理学院心理和脑科学杰出教授和罗伯特·h·谢弗主席奥拉夫·斯波恩说。

“既然我们看到了它们，我们就专注于这些时刻，以了解在这些事件中，特定的大脑区域是如何连接并相互交谈的。”

为了开始调查这些神秘事件的工作原理，研究小组建立了一个计算模型。在斯波恩实验室的研究生、神经科学和信息学双博士候选人玛丽亚·波普(Maria Pope)的领导下，该小组利用人类大脑的神经成像数据建立了一个模型，复制其连接。然后，该模型被模拟到与静止的大脑相似的状态，以生成合成的MRI信号，使用数学方程来重现神经元活动。

该模型显示了与人类大脑记录中看到的类似爆发的事件。

11月16日的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)发表了一篇论文，概述了该模型，并描述了它如何与真实大脑进行比较。

“这个模型告诉我们，这些事件是由大脑的结构网络引导的，”Pope说。“它们与大脑的物理结构有关。”

更具体地说，这些事件起源于神经元簇和大脑区域，这些神经元簇和大脑区域紧密相连，并在瞬间一起发光。斯波恩斯将这种模式比作管弦乐队演奏一段音乐。

“有时管弦乐队聚在一起，有一个主题。他们不只是演奏一个音符10分钟。在一些短暂的时刻，协调活动占主导地位，而在其他时候，可能会少得多，”斯波恩说。“这种协调的起伏也是我们在大脑中看到的，我们的模型可以复制它。大脑区域的集群以不同的方式结合。这不仅仅是一种模式，而是一个主题的多种变体。”

斯波恩斯认为，新模式的结果可能会改变游戏规则。

“功能连接作为大脑疾病的潜在生物标志物一直是研究的重点，并与抑郁症、精神分裂症、痴呆和多动症等疾病相关。研究人员多年来一直试图在临床应用中使用大脑模拟来模拟病变或疾病，”斯波恩说。“这个新模型为我们提供了一个更好的透镜，通过它来观察大脑，更清楚地看到正常和不正常情况下发生了什么。”

研究人员现在正在深入研究为什么人类大脑会使用这些短暂的活动。

“也许大脑发展出这种活动是因为它有益。有关事件结构的一些东西可能对大脑有用，”Pope说。“例如，许多种类的网络系统不得不偶尔进行系统更新或重启，获取一些全球有用的信息，并将其与系统的其他部分进行交流。”

这些问题的答案可能不仅对理解大脑有意义，而且对神经网络和人工智能的研究也有意义。

艺术与科学学院心理与脑科学系教授贝策尔说:“在个体层面上更清晰的结构和功能映射，可能对我们如何诊断神经系统疾病，并导致个性化治疗和干预有影响。”

文章标题

Modular origins of high-amplitude cofluctuations in fine-scale functional connectivity dynamics