PNAS:层级动态是人脑的一个宏观组织原则

《本文同步发布于“脑之说”微信公众号，欢迎搜索关注~~》
多模态证据表明，大脑区域在不同时间尺度积累信息，这个时间尺度随解剖层次的不同而不同。因此，这些实验定义的时间接受窗口在远离感觉输入的皮层区域最长。有趣的是，这些区域的自发活动也在相对较慢的时间尺度上进行(也就是说，表现出较慢的短期自相关衰减)。这些发现提出了分层时间尺度代表大脑功能内在组织原则的可能性。在这里，我们使用静息状态功能磁共振成像(functional MRI)显示，持续动态的时间尺度在整个人类大脑皮层遵循层级空间梯度。这些内在的时间尺度梯度引起了大规模皮层网络之间的系统频率差异，并预测了功能连接的个体特征。全脑覆盖允许我们进一步研究皮层下动力学的大尺度组织。我们发现，皮质的时间尺度梯度在纹状体、丘脑和小脑的地形上反映出来。最后，海马内的时间尺度遵循一个由后到前的梯度，与表征尺度增加的纵向轴相对应。因此，层级动态作为哺乳动物大脑的全球组织原则出现了。
1.简述
越来越多的证据表明，在任务执行过程中，初级感觉区域的信息编码时间较短，而高级皮质区域的信息编码时间较长。这些编码时间尺度与这些区域内活动的时间尺度相关。在这里，我们检验了一个假设，即活动时间尺度的层次代表了大脑功能的一般组织原则。通过对人类大脑在睁眼静息状态下的功能成像，我们发现正在进行的活动的时间尺度在整个大脑皮层以高度分层的梯度组织。此外，全脑覆盖允许检查皮层下结构，显示出与大脑皮层平行的分层时间尺度梯度。总之，我们的结果支持存在层次梯度，这种梯度组织了人类全脑动力学。
2. 结果
2.1 伴随着层级梯度的皮层动力学
我们评估了在清醒、睁眼状态下收集的两个健康成人rsfMRI数据集的时间动态。主要数据集包括从大人群(1139人)中收集的6分钟观察数据。第二个数据集包括10个个体的10,30分钟睁眼rsfMRI。
使用二级数据集中的非典型长时间运行，我们首先确认rsfMRI信号在近20年的时间里在大脑的所有区域表现出无标度、1/f样谱特征。然后，根据常规rsfMRI FC实践，在去噪后，在初级数据集的组水平上评估这个大致一致的谱特征的区域偏差。固有时间尺度(相关长度)通过时间自相关函数（ACF）的衰减在每个体素上进行了定征，ACF的量化，即ACF衰减到0.5所花费的时间(即，半宽半最大值)(图1A)。我们发现内在时间尺度沿着空间梯度组织，从(单模态)感觉运动区域延伸到(跨模态)关联皮层，在包括内侧前额叶皮层和颞顶叶连接在内的区域达到峰值 (图1B)。

图1 fMRI自相关揭示了固有时间尺度的层级
2.2 新皮层外的层级梯度很明显
重要的是，先前对内在时间尺度的研究忽略了皮层下结构或将每个结构视为一个功能单元。然而，纹状体、丘脑、小脑和海马在功能解剖上各不相同，这在fMRI分辨率上很明显。因此，我们将时间尺度分析扩展到这些结构。与以前的文献一致，我们发现纹状体、丘脑和海马的频率内容比大脑皮层高得多，这在很大程度上反映了这些结构中相对较低的信噪比。
我们继续研究这些结构以及小脑的时间尺度变化。我们发现，每个结构都呈现出大规模的内在时间尺度梯度(图2)。此外，在大脑皮层中，梯度反映了每个结构中已知的层次功能组织，在高阶区域中时间尺度更长。因此，纹状体的时间梯度随着后外侧到喙内侧的进展，大致对应于运动到联想/边缘皮层输入区。丘脑梯度通常以腹外侧到背内侧的模式进展，对应于一级核团与高一级核团的近似位置[以及最近描述的枕核内分级功能梯度]。小脑时间梯度沿着从小叶I-IV向类似小腿的I/II后部(以及小叶IX)延伸的梯度增加，与该结构中发现的主要功能梯度相匹配。最后，海马在纵向轴上呈现出由后到前的时间梯度。这与空间和时间表征粒度的显著下降以及θ频带内的细胞级固有频率相对应。目前的结果表明，在更粗的时空尺度上，固有频率也有类似的梯度。对这一结果的解释还应考虑信号丢失的潜在影响，信号丢失在前方更为突出。尽管如此，这些大规模的模式对每个结构的神经动力学做出了具体的预测，这些预测可以在未来通过多位点电生理记录进行验证。

图2 非新皮层结构的层级时间尺度
2.3 大尺度皮层-皮层下网络表现出系统谱差异
固有时间尺度的皮层地形(图1)与最近在FC中描述的层次梯度非常相似，其中模块化大规模功能网络占据了典型的位置。因此，为了确定离散功能网络之间的谱变异性，我们量化了六个非线性网络中的均值自相关衰减。我们发现了与其层次关系相对应的网络之间的系统谱差异 (图3)。时间尺度的观测或衰减与Murray等人报道的单单位结果密切相关，但在一个更慢和压缩的范围内。因此，这里所报告的绝对时间尺度比单单位时间尺度慢一个数量级，且相对分散较小。
纹状体、丘脑和小脑都表现出与皮层平行的功能组织，这提出了一个问题，即这种组织是否反映在各自的时间尺度梯度上。在这些结构中，我们观察到根据功能系统(图3C)固有时间尺度的层次组织，这是由FC定义的。重要的是，皮层下的地形排序与大脑皮层平行:感觉运动区域的时间尺度最短，默认模式网络的时间尺度最长。

图3 皮层和皮层下时间尺度梯度与功能组织相关
2.4 谱内容的个体间变异预测了FC的个体间变异
目前的结果表明，最广泛的结构和FC的功能系统——默认模式网络在皮质和下皮质表现出最慢的动力学。这一发现与先前的研究一致，认为相对缓慢的动态与广泛的FC相关，即与全脑分布广泛的区域强相关。为了进一步研究这种对应关系，我们询问这种关系是否延伸到FC的个体差异。使用高采样个体的第二个数据集，我们发现个体自己的内在时间尺度图倾向于最好地预测其皮层FC强度或给定区域的平均FC大小(图4)。在考虑FC计算前的谱变异性后，这个结果仍然存在。因此，个体间FC变异与个体间固有时间尺度变异相关，进一步支持了FC拓扑和固有时间尺度之间的生物联系。在一个个体(MSC03)中，被试自己的时间尺度图并不是预测FC强度的最佳指标。此个体表现出了混淆的呼吸伪影和异常的时间尺度图。因此，未来的工作应研究混叠生理伪影对 <0.1 Hz BOLD谱含量的贡献。

图4 FC的个体变异与固有时间尺度的个体变异有关系
3. 讨论
目前的研究结果支持了之前提出的假设，即宽带谱内容在整个大脑皮层是分层组织的。我们的研究结果为先前从猕猴皮层大尺度动态模型中预测的突发层次动力学提供了经验支持，该模型结合了突触兴奋的层次异质性。此外，我们还将层次动力学的观察扩展到纹状体、丘脑、小脑和海马。因此，内在的时间尺度层次结构可能代表了哺乳动物大脑的基本组织原则。
注：解读不易，请多多转发支持，您的每一次转发是对我们最好的支持！本文原文及附加材料，请添加赵老师微信索要（微信号：15560177218）

PNAS:层级动态是人脑的一个宏观组织原则相关推荐

假设一动态集合S用一个长度为m的直接寻址表T来表示。请给出一个查找S中最大元素的过程。（算法导论第十一章11.1-1）
假设一动态集合S用一个长度为m的直接寻址表T来表示.请给出一个查找S中最大元素的过程.你所给的过程在最坏情况下的运行时间是多少. (算法导论第十一章11.1-1) #include "Key ...
android 10.0 两个laucher动态相互切换(退出一个launcher到另外一个launcher桌面 )(RK 展讯 MTK等平台都适用)
1.概述在10.0的产品定制化开发中,产品提出进入launcher后,设置为默认laucher,在退出launcher后,调用设置原生laucher的方法后进入原生launcher, 2.两个lau ...
从Blue Pill、硬件虚拟化谈安全防护完备性上的一个小原则
这篇博客说说一个安全防护系统完备性上所需的一个小原则:防护系统与被防护对象所用资源的完全隔离,包括防护系统自身工作所依赖的资源不能依赖被防护对象.听起来是原理很简单的一个点,实现中往往很复杂.例如操作 ...
PNAS：青年时期人脑网络结构-功能耦合的发展
大脑结构和功能连接在分布式网络中的长期发展与执行功能等更高阶认知过程的改善相一致.然而,目前尚不清楚白质结构是如何在青年时期发展从而直接支持协调神经活动的.在这里,我们使用扩散加权成像和n-back功 ...
瑞数动态安全：做一个牵着黑客鼻子走的移动靶心
[51CTO.com原创稿件]依托于大数据分析技术.安全情报收集等技术的深入发展,目前安全检测技术对安全态势的分析越来越准确,对安全事件预警也越来越精准,主动防御成了2016年安全圈的主旋律之一. 客 ...
波卡动态 | Moonbeam 上第一个3D NFT项目宣布合作
Moonbeam 是 Polkadot 网络上的以太坊兼容智能合约平台,为原生互操作应用程序的开发提供便利.作为在 Polkadot 网络上的平行链,Moonbeam 也将受益于 Polkadot 中 ...
class的动态加载的一个实现方案
背景想调用ASM API (用于字节码处理的开源API)对字节码进行处理,目标是实现对java程序运行时各种对象的动态跟踪,并进一步分析各个对象之间的关系(研究前提是目前的UML锁阐释的whole- ...
动态代理需求：一个超级明星技能跳舞、唱歌、拍电影、睡觉。明星经纪人公司接活动，赚的钱37分。请用写出代码。
需求:一个超级明星技能跳舞.唱歌.拍电影.睡觉.明星经纪人公司接活动,赚的钱37分.请用写出代码. 这是一个典型的动态代理的问题,代码实现如下: 准备工作我们需要建立2个类和一个接口. SuperS ...
创建动态时钟（每天一个python小项目）
''' 动态时钟 ''' import turtle # 导入绘图海龟模块 import datetime # 导入日期时间模块# 移动一段距离 def skip(distance): # 移动方法, ...

PNAS:层级动态是人脑的一个宏观组织原则

PNAS:层级动态是人脑的一个宏观组织原则相关推荐

最新文章

热门文章