I hjärnor av högre ryggradsdjur, den funktionella segregationen av lokala områden som skiljer sig i sin anatomi och fysiologi kontrasterar kraftigt med deras globala ination under perception och beteende. I detta dokument introducerar vi ett mått, som kallas neural komplexitet (CN), som fångar samspelet mellan dessa två dentala aspekter av hjärnans organisation. Vi uttrycker funktionell segregation inom ett neuralt system i termer av det relativa statistiska oberoendet av små undergrupper av systemet och funktionell integration i termer av betydande avvikelser från oberoende av stora undergrupper. KN erhålls sedan från uppskattningar av den genomsnittliga avvikelsen från det statistiska oberoendet för undergrupper med ökande storlek. CN visas vara hög när funktionell segregation samexisterar med integration och är låg när komponenterna i ett system antingen är helt oberoende (segregerade) eller helt beroende (integrerade). Vi tillämpar denna komplexitetsmått i datorsimuleringar av kortikala områden för att undersöka hur några grundläggande principer för neuroanatomisk organisation begränsar hjärndynamiken. Vi visar att konnektivitetsmönster av cerebral cortex, såsom en hög densitet av anslutningar, stark lokal konnektivitet ornizing celler till neuronal grupper, patchines i konnektivitet am neuronal grupper, och förhärskande ömsesidiga anslutningar, är associerade med hi värden av CN. Det tillvägagångssätt som beskrivs här kan visa sig användbart vid analys av komplexitet inom andra biologiska områden såsom genreglering och embryogenesis. En långvarig kontrovers inom neurovetenskapen har satt lokalisationistiska åsikter om hjärnans funktion mot hjältarnas åsikter. Den förra betonar hjärnans organisations specificitet och moduläritet, medan den senare betonar globala funktioner, massaktioner och Gestaltfenomen (1). Denna kontrovers speglar två kontrasterande egenskaper som samexisterar i hjärnan hos högre ryggradsdjur: funktionell segregation av olika hjärnregioner och deras integration i perception och beteende. I detta dokument försöker vi tillhandahålla en åtgärd som återspeglar deras samverkan. Förståelsen av dessa två aspekter av hjärnans organisation är central för varje teoretisk beskrivning av hjärnans funktion (2-4). Bevis på att hjärnan är funktionellt segregerad på flera organisationsnivåer är överväldigande. Utvecklingshändelser och aktivitetsberoende val resulterar i bildandet av neuronala grupper-lokala kollektiv av starkt sammankopplade celler som delar ingångar, utgångar och responsegenskaper (2). Varje grupp tenderar att vara ansluten till en särskild undergrupp av andra grupper och, direkt eller indirekt, till specifika sensoriska offer. Olika grupper inom ett visst hjärnområde (t.ex. ett primärt visuellt område) kan visa preferenssvar för olika stimulansorienteringar eller retinotopiska positioner. Dessutom, på nivån för områden eller delområden av områden, det finns funktionell segregation för olika stimulans attribut såsom färg, rörelse och form (5-7). Ytterligare belägg för funktionell segregation i en rad olika system ges genom analysen av de specifika underskott som orsakas av lokala kortikala lesioner (8). I motsats till sådan lokal specialisering är hjärnaktivitet globalt integrerad på många nivåer som sträcker sig från neuron till interareala interaktioner till övergripande beteendeutgång. Arrangemanget av kortikala banor garanterar att två neuroner, oavsett var de befinner sig, separeras från varandra genom ett litet antal synaptiska steg. Dessutom är de flesta av de vägar som förbinder två områden ömsesidiga och utgör därför ett strukturellt substrat för återinträde-en process av pågående rekursiva signalering bland neuronala grupper och områden över massivt parallella vägar (2, 3, 9-11). En av de dynamiska konsekvenserna av återinträde är uppkomsten av utbredda mönster av korrelationer mellan neuronala grupper (10-14). Följaktligen verkar perceptuella scener förenade och är globalt sammanhängande, en egenskap som är nödvändig för endräkten i beteendet. Nedkoppling av olika kortikala områden leder ofta till specifika störningar av dessa integrativa processer (8). Vi har visat (10, 11) att en balans mellan funktionell segregation av specialiserade områden och deras funktionella integration uppstår naturligt genom de konstruktiva och korrelativa egenskaperna hos återinträde. Datorsimuleringar av det visuella systemets konnektivitet och fysiologiska egenskaper visade att neuronal aktivitet i segregerade områden som samtidigt svarar på olika stimulansegenskaper kan integreras för att uppnå sammanhängande perceptuella prestanda och beteende även i avsaknad av ett huvudområde (10, 11). Dessa modeller ger en parsimonisk teoretisk lösning på det så kallade "bindande problemet" (15). I detta dokument betraktar vi relationen mellan funktionell segregation och integration i hjärnan ur ett mer allmänt teoretiskt perspektiv. Genom att göra vissa förenklade antaganden visar vi att dessa två organisatoriska aspekter kan formuleras inom en enhetlig ram. Vi anser att neurala system består av ett antal elementära komponenter som kan vara hjärnområden, grupper av neuroner, eller enskilda celler. I denna inledande analys väljer vi nivån av neuronala grupper (2) och studerar deras dynamiska interaktioner som bestäms av topologin för deras sammankopplingar. Vi antar att de statistiska egenskaperna hos dessa interaktioner inte förändras med tiden (stationaritet) och att den anatomiska anslutningen är fast. Dessutom koncentrerar vi oss på de inneboende egenskaperna hos ett neuralt system och tar därför inte hänsyn till extrinsiska ingångar från miljön. Genom att följa dessa antaganden kännetecknas funktionell segregation och integration i termer av avvikelser från statistisk självständighet bland komponenterna i ett neuralt system, mätt med hjälp av begreppen statistisk entropi och ömsesidig information (16). Olika neuronala grupper är funktionellt åtskilda om deras aktiviteter tenderar att vara statistiskt oberoende när dessa grupper anses några åt gången. Omvänt är grupper funktionellt integrerade om de uppvisar en hög grad av statistiskt beroende när de anses många åt gången. Detta leder till formuleringen av en åtgärd, kallad neural komplexitet (CN), som speglar samspelet mellan funktionell segregation och integration i ett neuralt system. I enlighet med de senaste försöken i 5033 Publiceringskostnaderna för denna artikel var delvis defrayed av siddebitering betalning. Denna artikel måste därför märkas med "reklam" i enlighet med 18 U.S.C. §1734 endast för att ange detta faktum.
Funktionell segregation är en idé om att varje kortikal region i hjärnan är specialiserad för vissa uppgifter endast REF.
A measure for brain complexity: relating functional segregation and integration in the nervous system
{'venue': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'journal': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'mag_field_of_study': ['Biology', 'Medicine']}