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定量生物学 > 神经与认知

arXiv:2108.00310 (q-bio)
[提交于 2021年7月31日 ]

标题: 大脑认知中复杂功能皮层模式的观察

标题: Observation of complex functional cortical patterns in brain cognition

Authors:Jasleen Gund, R.K. Brojen Singh
摘要: 突触可塑性和神经元之间的相互作用是一些重要的关键机制,这些机制是活跃神经元动态聚类形成的基础。 本研究的本质是建模并破译神经元群体中特定任务的功能连接产生的机制。 我们使用了我们提出的神经元活动模式(NAP)模型来定义各种各样的相互作用,并在具有两种状态(放电/非放电)的二维晶格上进行了模拟。 我们观察到,在接近临界相变时,出现了无标度、分层组织的活跃神经元有序模式,我们称之为功能皮质模式(FCPs)。 我们对FCPs进行了广泛的拓扑表征,并测试了其与从视觉刺激任务的实证脑电生理数据中获得的功能脑网络的一致性。 我们的网络理论属性、分形分析和功能制图结果证实了在生成FCPs时的转变效应。 这给我们提供了强有力的暗示,即功能神经元系统在接收到刺激时支持远离平衡的动力学。 我们对长程、临界和短程相互作用的研究导致了一个解释,即接近临界转变阶段是一个受神经元之间距离影响的临界温度(耦合强度)谱。 神经元之间的相互作用范围在定义神经回路的功能严重性方面起着重要作用。 我们认为,作为耦合强度函数的相互作用范围以增强的方式驱动连接性,因为我们观察到在神经元群体中,从短程到长程相互作用的耦合强度增加。 这使我们对认知行为的强度有了深入的理解,这种强度是通过多次刺激尝试获得的。
摘要: Synaptic plasticity and neuron cross-talk are some of the important key mechanisms underlying formation of dynamic clusters of active neurons. The essence of this study is to model and decipher the mechanism of emergence of a task-specific functional connectivity among a population of neurons. We have used our proposed neuron activity pattern (NAP) model to define an assorted range of interactions and simulated across a 2D lattice with two-state (firing/non-firing) neurons. We observed the emergence of scale-free, hierarchically organized ordered patterns of active neurons, that we call as functional cortical patterns (FCPs), only at the near-critical phase transition. We have done extensive topological characterization of FCPs and tested its congruency with the functional brain networks obtained from the empirical electrophysiological data of a visual stimulus task. Our results of network theory attributes, fractal analysis and functional cartography have confirmed the transitioning effect while generation of FCPs. This gives us strong implication that the functional neuronal system supports far-from-equilibrium dynamics upon receiving a stimulus. Our investigation for the long, critical and short-ranged interactions has lead to an interpretation that near-critical transition phase is a spectrum of critical temperatures (coupling strengths) being affected by the distance between the neurons. The range of interaction among neurons plays an important role in defining the functional severity of the neuronal circuitry. We propose that interaction range as a function of coupling strength drives connectivity in an augmenting fashion as we observed an increase in coupling strength from short to long-range interactions, among the population of neurons. This gives us insight towards the intensity of cognitive behaviour, which is attained by multiple stimulus attempts.
主题: 神经与认知 (q-bio.NC)
引用方式: arXiv:2108.00310 [q-bio.NC]
  (或者 arXiv:2108.00310v1 [q-bio.NC] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2108.00310
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: R.K. Brojen Singh [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2021 年 7 月 31 日 19:20:27 UTC (1,144 KB)
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