Мидың саналы әрекеттеріне негіз болатын, нейрондық тербелістерді үйлестіретін ми метатұрақтанбасы туралы біліңіз. ЭЭГ және компьютерлік модельдеу арқылы зерттеу.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Есептеу нейробиологиясы саласында метақуаныштық теориясы адам миының бірнеше функционалдық бөліктерін интеграциялау қабілетіне және нейрондық тербелістерді өзара әрекеттесу және үйлестіру арқылы құруға, саналы белсенділіктің негізін қалыптастыруға қатысты. Метақуаныштық – сигналдардың (оцилляциялық толқындар сияқты) табиғи тепе-теңдік күйінен шығып, бірақ ұзақ мерзімге сақталып тұратын күй. Бұл принцип мидың сыртқы ортадан түсетін көрінетіндей кездейсоқ белгілерді түсіну қабілетін сипаттайды. Соңғы 25 жылда метақуаныштыққа және оның негізінде жатқан сызықтық емес динамикаға қызығушылық, ми белсенділігін модельдеу үшін компьютерлердің қолданылатын әдістерінің жетістіктерімен күшейді.
In the field of computational neuroscience, the theory of metastability refers to the human brain's ability to integrate several functional parts and to produce neural oscillations in a cooperative and coordinated manner, providing the basis for conscious activity. Metastability, a state in which signals (such as oscillatory waves) fall outside their natural equilibrium state but persist for an extended period of time, is a principle that describes the brain's ability to make sense out of seemingly random environmental cues. In the past 25 years, interest in metastability and the underlying framework of nonlinear dynamics has been fueled by advancements in the methods by which computers model brain activity.
Шолу
ЭЭГ – мидың жалпы электрлік белсенділігін өлшейтін құрал, оның нәтижелерін бас сүйегінің бетінде байқауға болады. Метастабильділік теориясында ЭЭГ сигналдары белгілі бір жиіліктерде өзара сәйкес келетін, анық үлгілері бар тербелістерді тудырады. Нейрондық желідегі әрбір нейрон қалыпты жағдайда динамикалық тербелістік толқынды шығарады, бірақ хаотикалық толқынды шығаруға да қабілетті. Нейрондар бір-бірімен байланысып, нейрондық желіге біріктірілгенде, әр нейронның тудырған динамикалық тербелістері бірігіп, жоғары дәлдікпен болжамдалатын ЭЭГ тербелістерін құрай алады. Осы өзара байланыстарды және болжамды ЭЭГ тербелістеріне үлес қосатын жеке нейрондарды анықтау арқылы ғалымдар қандай қыртыс домендері параллель түрде жұмыс істейтінін және қандай нейрондық желілердің өзара байланыста екенін анықтай алады. Көптеген жағдайларда, метастабильділік – мидың алыс бөліктерінің сыртқы ортаның стимулдарына жауап беру үшін бір-бірімен өзара әрекеттесетін жағдайларын сипаттайды.
EEG measures the gross electrical activity of the brain that can be observed on the surface of the skull. In the metastability theory, EEG outputs produce oscillations that can be described as having identifiable patterns that correlate with each other at certain frequencies. Each neuron in a neuronal network normally outputs a dynamical oscillatory waveform, but also has the ability to output a chaotic waveform. When neurons are integrated into the neural network by interfacing neurons with each other, the dynamical oscillations created by each neuron can be combined to form highly predictable EEG oscillations. By identifying these correlations and the individual neurons that contribute to predictable EEG oscillations, scientists can determine which cortical domains are processing in parallel and which neuronal networks are intertwined. In many cases, metastability describes instances in which distal parts of the brain interact with each other to respond to environmental stimuli.
Метақалыптылық жиілік домендері
Адамның саналы ойлауына негізделген ми динамикасының ажырамас бір бөлігі – мидың көрінетін шулы немесе хаотикалық сигналдарды болжамды тербелістік үлгілерге түрлендіру қабілеті. Бұл фазалық синхронизация нейрондық желілердегі метастабильді мінез-құлықтың негізін қалайды. Метастабильді мінез-құлық 1/f режимі деп аталатын жоғары жиіліктік доменде пайда болады. Бұл режим шулы сигналдың (сонымен қатар қызғылт шу деп те аталады) туындаған ортасын сипаттайды, онда сигналдың белгілі бір жиілік диапазонындағы қуаты (оның қуат спектрлік тығыздығы) жиілігіне кері пропорционал. 1/f режиміндегі шу көптеген биологиялық жүйелерде кездеседі, мысалы, ЭКГ толқын сызығындағы жүрек соғуының шығысында, бірақ нейрондық желілердегі фазалық синхронизация үшін ерекше мақсатқа ие. 1/f режимінде ми сыртқы әлсіз немесе хаотикалық сигналдарға саналы жауап беруге қажетті сындық күйде болады, себебі ол кездейсоқ сигналдарды анықталатын және болжамды тербелістік толқынға айналдыра алады. Координациялық динамика бұл динамикалық жүйе моделінің негізін құрайды, сыртқы стимулдардың оларға әсер ететін элементтерге байланысын анықтайтын математикалық формулалар мен үлгілерді сипаттайды.
It has been suggested that one integral facet of brain dynamics underlying conscious thought is the brain's ability to convert seemingly noisy or chaotic signals into predictable oscillatory patterns. This phase synchronization forms the basis of metastable behavior in neural networks. Metastable behavior occurs at the high frequency domain known as 1/f regime. This regime describes an environment in which a noisy signal (also known as pink noise) has been induced, where the amount of power the signal outputs over a certain bandwidth (its power spectral density) is inversely proportional to its frequency. Noise at the 1/f regime can be found in many biological systems – for instance, in the output of a heartbeat in an ECG waveform—but serves a unique purpose for phase synchrony in neuronal networks. At the 1/f regime, the brain is in the critical state necessary for a conscious response to weak or chaotic environmental signals because it can shift the random signals into identifiable and predictable oscillatory waveforms. Coordination dynamics forms the basis for this dynamical system model by describing mathematical formulae and paradigms governing the coupling of environmental stimuli to their effectors.
Үйлестіру динамикасының тарихы және Хакен-Келсо-Бунц (HKB) моделі
HKB моделі – мидағы координация динамикасын сипаттауға арналған ең ерте және кең танылған теориялардың бірі. Бұл модельде нейрондық желілердің қалыптасуын ішінара өздігінен ұйымдасу ретінде қарастыруға болады, онда жеке нейрондар мен кішкентай нейрондық жүйелер жергілікті стимулдарға бейімделу немесе оларға жауап беру үшін, не жұмысты бөлісу және функцияға мамандану үшін бірігіп, үйлестіріледі. Соңғы 20 жылда HKB моделі жеке нейрондардың үйлестірілген қозғалысын және мінез-құлқын үлкен, бір-бірімен байланысқан нейрондық желілерге дейін түсіндіру үшін кеңінен қабылданған теорияға айналды. Алғашқыда модельде саусақ қозғалыстарында байқалатын спонтанды өзгерістер фазадағы және фазадан тыс қозғалыстар тізбегі ретінде сипатталған жүйе ретінде қарастырылды. 1980 жылдардың ортасында HKB моделі бойынша жүргізілген тәжірибелерде қатысушылардан әр қолдағы бір саусақты екі режимде қозғау сұралды: біріншісі, фазадан тыс, екі саусақ бір бағытта алға-артқа қозғалды (мысалы, сыртқы көліктің сүргішіндей); екіншісі, фазада, екі саусақ бірігіп, дене ортасының сызығына жақындап, одан алыстады. Координация динамикасын көрсету үшін қатысушылардан саусақтарын мүмкіндігінше жылдам қозғалғанша, жылдамдығын арттыра отырып, фазадан тыс қозғалту сұралды. Қозғалыс өзінің шектік жылдамдығына жақындағанда, қатысушылардың саусақтары фазадан тыс (сыртқы көліктің сүргішіндей) қозғалыстан фазаға (орта сызыққа қарай) өтті. HKB моделі, сонымен қатар бірнеше күрделі математикалық сипаттамалармен толықтырылды, бұл көрінеу тәуелсіз жүйелердің өздігінен ұйымдасқан сындылық күйіне дейін синхрондылыққа жеткенін сипаттаудың салыстырмалы түрде қарапайым, бірақ қуатты тәсілі болып табылады.
The so named HKB model is one of the earliest and well respected theories to describe coordination dynamics in the brain. In this model, the formation of neural networks can be partly described as self organization, where individual neurons and small neuronal systems aggregate and coordinate to either adapt or respond to local stimuli or to divide labor and specialize in function. In the last 20 years, the HKB model has become a widely accepted theory to explain the coordinated movements and behaviors of individual neurons into large, end to end neural networks. Originally the model described a system in which spontaneous transitions observed in finger movements could be described as a series of in phase and out of phase movements. In the mid 1980s HKB model experiments, subjects were asked to wave one finger on each hand in two modes of direction: first, known as out of phase, both fingers moving in the same direction back and forth (as windshield wipers might move); and second, known as in phase, where both fingers come together and move away to and from the midline of the body. To illustrate coordination dynamics, the subjects were asked to move their fingers out of phase with increasing speed until their fingers were moving as fast as possible. As movement approached its critical speed, the subjects’ fingers were found to move from out of phase (windshield wiper like) movement to in phase (toward midline movement). The HKB model, which has also been elucidated by several complex mathematical descriptors, is still a relatively simple but powerful way to describe seemingly independent systems that come to reach synchrony just before a state of self organized criticality.
Когнитивтік үйлестіру динамикасының дамуы
Соңғы 10 жылда HKB моделі жоғары математикалық модельдермен және суперкомпьютерлік есептеулермен үйлестіріліп, қарапайым координациялық динамиканы оқыту және жад сияқты жоғары деңгейлі процестермен байланыстыруға мүмкіндік берді. Дәстүрлі ЭЭГ мидың әртүрлі бөліктері арасындағы координацияны зерттеу үшін әлі де пайдалы. 40 Гц гамма толқынының активтілігі – мидың динамикалық түрде модельделу қабілетінің жарқын мысалы және координациялық динамиканың кең таралған мысалы. Осы және басқа да тербелістерді үздіксіз зерттеу маңызды қорытындыға әкелді: толқындарды ортақ сигнал фазасымен, бірақ әртүрлі амплитудамен талдау, осы әртүрлі сигналдардың синергиялық функцияны атқару мүмкіндігін көрсетеді. Бұл толқындардың ерекше қасиеттері: олар дерлік бір мезгілде пайда болады және өте қысқа басталу кешігуіне ие, бұл олардың синапстық өткізуден жылдам жұмыс істейтінін білдіреді; сондай-ақ, олардың анық үлгілері кейде кездейсоқтық кезеңдерімен тоқтатылады. Соңғы ерекшелік нейрондық жүйелер арасындағы өзара әрекеттесу және ауысу туралы болжам жасауға негіз болды. Ми қабығының аймақтарының белсенділігі мен белсенділігін жоюды талдау, тәуелділік пен өзара тәуелділік арасындағы динамикалық ауысуды көрсетті, бұл координацияланған динамикалық жүйенің функциясы ретінде мидың метастабильді табиғатын көрсетеді. fMRI, кең ауқымды электродтар тізбегі және MEG ЭЭГ-де байқалатын үлгілерді кеңейте отырып, координацияланған динамиканы визуальды растайды. ЭЭГ-ге қарағанда кеңістіктік-уақыттық сипаттама жағынан артықшылықтар беретін MEG зерттеушілерге сыртқы ортаның сигналдарымен мидың белгілі бір бөліктерін стимуляциялауға және мидың тұтас моделіндегі жауапты байқауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, MEG шамамен бір миллисекундтық жауап беру уақытына ие, бұл сыртқы ортаның сигналдарына және саналы тапсырмаларға жауап ретінде мидың таңдалған бөліктерінің белсенді қосылуы мен өшірілуін дерлік нақты уақыт режимінде зерттеуге мүмкіндік береді.
In the last 10 years, the HKB model has been reconciled with advanced mathematical models and supercomputer based computation to link rudimentary coordination dynamics to higher order processes such as learning and memory. The traditional EEG is still useful to investigate coordination between different parts of the brain. 40 Hz gamma wave activity is a prominent example of the brain's ability to be modeled dynamically and is a common example of coordination dynamics. Continuous study of these and other oscillations has led to an important conclusion: analyzing waves as having a common signal phase but a different amplitude leads to the possibility that these different signals serve a synergistic function. Some unusual characteristics of these waves: they are virtually simultaneous and have a very short onset latency, which implies that they operate faster than synaptic conduction would allow; and that their recognizable patterns are sometimes interrupted by periods of randomness. The latter idiosyncrasy has served as the basis for assuming an interaction and transition between neural subsystems. Analysis of activation and deactivation of regions of the cortex has shown a dynamic shift between dependence and interdependence, reflecting the brain's metastable nature as a function of a coordinated dynamical system. fMRI, large scale electrode arrays, and MEG expand upon the patterns seen in EEG by providing visual confirmation of coordinated dynamics. The MEG, which provides an improvement over EEG in spatiotemporal characterization, allows researchers to stimulate certain parts of the brain with environmental cues and observe the response in a holistic brain model. Additionally, MEG has a response time of about one millisecond, allowing for a virtually real time investigation of the active turning on and off of selected parts of the brain in response to environmental cues and conscious tasks.
Әлеуметтік үйлестіру динамикасы және фи-комплекс
Координациялық динамиканың дамуындағы маңызды сала – әлеуметтік үйлестіру теориясы. Бұл теория белгілі бір өзара әрекеттесу үлгілерін ұстанатын күрделі әлеуметтік сигналдардың қалыпты адам дамуымен байланысты динамикалық жүйені (ДС) байланыстыруға тырысады. Бұл жұмыс адамның әлеуметтік өзара әрекеттесуінің нейрондық желілердің метастабильдігі арқылы қалай жүзеге асырылатынын түсінуге бағытталған. fMRI және ЭЭГ эксперименттік зерттеулерде таламокортикальды жауапты әлеуметтік сигналдарға бейімдеуде өте пайдалы. Флорида Атлантик университетінің ғалымдары, соның ішінде Дж.А. Скотт Келсо, әлеуметтік үйлестіру динамикасы теориясының эксперименталдық нәтижелерін ұсыну үшін «Фи кешені» деп аталатын жаңа теорияны жасады. Келсоның эксперименттерінде екі қатысушы мөлдір емес кедергімен бөлініп, саусақтарын қимылдатуға шақырылды. Кейін кедергі алынып, оларға ешқандай өзгеріс болмағандай саусақтарын қимылдатуды жалғастыру нұсқауылды. Біраз уақыттан соң, екі қатысушының қимылдары кейде үйлесімді және синхронды болды (бірақ кейде асинхронды болып қалды). ЭЭГ мен саналы әлеуметтік өзара әрекеттесу арасындағы байланыс «Фи» деп сипатталады, ол 10 Гц жиілік диапазонында жұмыс істейтін мидың бірнеше ырғақтарының бірі. «Фи» екі компоненттен тұрады: біреуі жеке мінез-құлқына, екіншісі өзара әрекеттесуге (адамдар арасындағы) бейімділікті қолдайды. «Фи»-ді одан әрі талдау шизофрения сияқты дегенеративтік аурулардың әлеуметтік және жекелеген әсерлерін ашуға немесе альфа және омега еркектерінің динамикасы сияқты жалпы әлеуметтік қатынастарды, сондай-ақ төтенше жағдайларда адамдардың жеке жауапкершілікті басқа адамдардың санына байланысты қалай бөлісетінін сипаттайтын «көрермен әсері» туралы түсінік беруге мүмкіндік береді.
A developing field in coordination dynamics involves the theory of social coordination, which attempts to relate the DC to normal human development of complex social cues following certain patterns of interaction. This work is aimed at understanding how human social interaction is mediated by metastability of neural networks. fMRI and EEG are particularly useful in mapping thalamocortical response to social cues in experimental studies. A new theory called the phi complex has been developed by J. A. Scott Kelso and fellow researchers at Florida Atlantic University to provide experimental results for the theory of social coordination dynamics. In Kelso's experiments, two subjects were separated by an opaque barrier and asked to wag their fingers; then the barrier was removed and the subjects were instructed to continue to wag their fingers as if no change had occurred. After a short period, the movements of the two subjects sometimes became coordinated and synchronized (but other times continued to be asynchronous). The link between EEG and conscious social interaction is described as Phi, one of several brain rhythms operating in the 10 Hz range. Phi consists of two components: one to favor solitary behavior and another to favor interactive (interpersonal) behavior. Further analysis of Phi may reveal the social and interpersonal implications of degenerative diseases such as schizophrenia—or may provide insight into common social relationships such as the dynamics of alpha and omega males or the popular bystander effect describing how people diffuse personal responsibility in emergency situations depending on the number of other individuals present.
Динамикалық өзек
Метастабильділіктің екінші теориясы динамикалық ядро деп аталады, бұл таламокортикальды аймақты сипаттауға қолданылатын термин, ол сананың интеграциялық орталығы деп саналады. Динамикалық өзек гипотезасы (ДӨГ) осы аймақты стимуляциялау кезінде өзара байланысты нейрондық желілерді пайдалану және қолдану арқылы түсіндіріледі. 65 000 нейроннан тұратын компьютерлік модельде, таламокортикальды аймақтағы метастабильді өзара әрекеттесулер қайта кіру арқылы таңдау процесін (селекционизм) тудырады – бұл құбылыс мидың қашық бөліктері арасындағы сигналдардың өзара байланысы мен әрекеттесуін сипаттайды. Нейрондық таңдаулылық – бұл туғанға дейін және туғаннан кейін болатын механохимиялық процестер, олар арқылы қоршаған ортаның факторлары нейрондық байланыстарға әсер етеді. Динамикалық ядромен байланысты синапстық сигналдардың модификациясы ДӨГ-ге қосымша түсінік береді. ДӨГ-ге қолдау білдіретін дәлелдердің көбейе түсуіне қарамастан, динамикалық ядроның мінез-құлқының математикалық модельдерін жасау және болжау мүмкіндігі баяу дамыды. Нейрондық сигналдарды хаотикалық және сызықты емес түрде графиктеуге бағытталған стохастикалық процестерді одан әрі жетілдіру, динамикалық ядродағы нейрондық өсудің немесе координацияның таңдаулылығын арттыру үшін хаотикалық қоршаған орта сигналдарының қалай байланысатынын талдау үшін белгілі бір алгоритмдік базаны ұсынды.
A second theory of metastability involves a so called dynamic core, which is a term to loosely describe the thalamocortical region believed to be the integration center of consciousness. The dynamic core hypothesis (DCH) reflects the use and disuse of interconnected neuronal networks during stimulation of this region. A computer model of 65,000 spiking neurons In this model, metastable interactions in the thalamocortical region cause a process of selectionism via re entry (a phenomenon describing the overall reciprocity and interactivity between signals in distant parts of the brain through coupled signal latency). Neuronal selectivity involves mechanochemical events that take place pre and post natally whereby neuronal connections are influenced by environmental experiences. The modification of synaptic signals as it relates to the dynamic core provides further explanation for the DCH. Despite growing evidence for the DCH, the ability to generate mathematical constructs to model and predict dynamic core behavior has been slow to progress. Continued development of stochastic processes designed to graph neuronal signals as chaotic and non linear has provided some algorithmic basis for analyzing how chaotic environmental signals are coupled to enhance selectivity of neural outgrowth or coordination in the dynamic core.
Жаһандық жұмыс кеңістігі гипотезасы
Глобалды жұмыс кеңістігі гипотезасы – метатұрақтылықты түсіндіруге арналған тағы бір теория, және ол 1983 жылдан бері қандай да бір түрінде бар. Бұл гипотеза да қайта кіру құбылысына назар аударады, яғни бір әдет немесе процестің мидың бірнеше бөлігімен бір уақытта қолданылу мүмкіндігіне. Көптеген тәжірибелерде сөз бен есту тапсырмаларындағы саналы түйсік, бірдей санасыз түйсікке қарағанда мидың интеграцияланған бөліктерін әлдеқайда кеңірек пайдаланады. Тәжірибелік нәтижелерде мидың әртүрлі аймақтары арасындағы кең таралу және үнемі сигнал алмасу – нейрондық жұмыс кеңістігі гипотезасын дәлелдеуге бағытталған әдеттегі тәсіл. Глобалды жұмыс кеңістігінде саналы және санасыз тапсырмаларды қарастыру арасындағы байланысты нақты анықтау үшін қосымша зерттеулер жүргізілуде.
The global workspace hypothesis is another theory to elucidate metastability, and has existed in some form since 1983. This hypothesis also focuses on the phenomenon of re entry, the ability of a routine or process to be used by multiple parts of the brain simultaneously. In almost every experiment, conscious input in word and audition tasks shows a much wider use of integrated portions of the brain than in identical unconscious input. The wide distribution and constant signal transfer between different areas of the brain in experimental results is a common method to attempt to prove the neural workspace hypothesis. More studies are being conducted to determine precisely the correlation between conscious and unconscious task deliberation in the realm of the global workspace.
Ми-ақылдың операциялық архитектуралық теориясы
Метақалыптылық тұжырымдамасы нейроғылымда біраз уақыттан бері бар болғанымен, Эндрю және Александр Фингелькуртс оның мидың әртүрлі күрделіліктегі операциялары контекстіндегі нақты түсіндіруін ми-ойының операциялық архитектурасы моделінде жасады. Метақалыптылық – бұл мидағы жаһандық интеграциялық және жергілікті бөлінуге ұмтылыс тенденцияларының қалай қатар өмір сүретіні туралы теория. Операциялық архитектура мидың метақалыптылық режимінде, мидың жеке бөліктері бір уақытта дербес жұмыс істеуге және үйлесімді әрекетке бейімділік танытатынына негізделген. Операциялық архитектураға сәйкес, тараған нейрондық жинақтардың синхронды әрекеттері метақалыптылық кеңістік-уақыт үлгілерін құрайды. Олар метақалыпты, себебі нейрондық жинақтар арасындағы белсенділіктің ішкі айырмашылықтары олардың әрқайсысы өз жұмысын (операциясын) атқаруға жеткілікті түрде үлкен болса да, мидың күрделі операциясын іске асыру үшін бірлесіп үйлестірілуге бейімділікті сақтайды.
Although the concept of metastability has been around in Neuroscience for some time, the specific interpretation of metastability in the context of brain operations of different complexity has been developed by Andrew and Alexander Fingelkurts within their model of Operational Architectonics of brain–mind functioning. Metastability is basically a theory of how global integrative and local segregative tendencies coexist in the brain. The Operational Architectonics is centered on the fact that in the metastable regime of brain functioning, the individual parts of the brain exhibit tendencies to function autonomously at the same time as they exhibit tendencies for coordinated activity. In accordance with Operational Architectonics, the synchronized operations produced by distributed neuronal assemblies constitute the metastable spatial temporal patterns. They are metastable because intrinsic differences in the activity between neuronal assemblies are sufficiently large that they each do their own job (operation), while still retaining a tendency to be coordinated together in order to realize the complex brain operation.
Метақалыптылықтың болашағы
Метастабильді өзара әрекеттесудің дәстүрлі әлеуметтік функцияларға тигізетін әсерін зерттеумен қатар, көптеген зерттеулер Альцгеймер, Паркинсон, инсульт және шизофрения сияқты денсаулықты нашарлататын аурулардың дамуында үйлестірілген динамикалық жүйенің және жаһандық жұмыс кеңістігінің рөлін анықтауға бағытталатын болады. Соғысқа байланысты жарақаттардың көбеюіне байланысты, соңғы бес жылда травмалық немесе жартылай травмалық ми жарақатының (ТМЖ) үйлестірілген динамикалық жүйеге тигізетін әсеріне қызығушылық артып келеді.
In addition to study investigating the effects of metastable interactions on traditional social function, much research will likely focus on determining the role of the coordinated dynamic system and the global workspace in the progression of debilitating diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, stroke, and schizophrenia. An interest in the effect of a traumatic or semi traumatic brain injury (TBI) on the coordinated dynamical system has developed in the last five years as the number of TBI cases has risen from war related injuries.