隱藏的大腦網(wǎng)絡控制架構揭開面紗

研究人員已經(jīng)確定了大腦網(wǎng)絡的內(nèi)在控制架構。控制特性將有助于為腦網(wǎng)絡的外源控制提供基礎，因此，在認知和臨床神經(jīng)科學中具有廣泛的意義。KAIST研究小組確定了大腦網(wǎng)絡的內(nèi)在控制架構?？刂铺匦詫⒂兄跒槟X網(wǎng)絡的外源控制提供基礎，因此，在認知和臨床神經(jīng)科學中具有廣泛的意義。

雖然效率和穩(wěn)健性通常被認為具有權衡關系，但人類大腦在執(zhí)行復雜的認知功能時通常表現(xiàn)出兩種屬性。這種最優(yōu)性必須植根于相互關聯(lián)的大腦區(qū)域的特定協(xié)調(diào)控制，但缺乏對大腦網(wǎng)絡的內(nèi)在控制結構的理解。

來自生物與腦工程系的Kwang-Hyun Cho教授及其團隊研究了大腦網(wǎng)絡的內(nèi)在控制架構。他們采用跨學科方法，跨越連通組學，神經(jīng)科學，控制工程，網(wǎng)絡科學和系統(tǒng)生物學，檢查各種物種的結構腦網(wǎng)絡，并將其與其他生物網(wǎng)絡的控制結構以及人造網(wǎng)絡進行比較，如作為社會，基礎設施和技術網(wǎng)絡。

特別是，該團隊通過從美國國立衛(wèi)生研究院的人類連接項目數(shù)據(jù)庫獲得的結構和擴散成像數(shù)據(jù)進行大腦分割和纖維束成像，重建了100名健康人類成年人的結構性腦網(wǎng)絡。

該團隊開發(fā)了一個框架，用于分析基于最小支配集(MDSet)的大腦網(wǎng)絡的控制架構，MDSet是指通過一步直接交互控制剩余節(jié)點的最小節(jié)點子集(MD節(jié)點)。MD節(jié)點在包括生物分子網(wǎng)絡在內(nèi)的各種復雜網(wǎng)絡中發(fā)揮著至關重要的作用，但它們尚未在腦網(wǎng)絡中進行過研究。

通過探索和比較各種復雜網(wǎng)絡的MDS組成的基礎結構原理，該團隊描繪了他們獨特的控制架構。有趣的是，該團隊發(fā)現(xiàn)，與其他復雜網(wǎng)絡相比，大腦網(wǎng)絡中MDSets的比例非常小。這一發(fā)現(xiàn)意味著大腦網(wǎng)絡可能已經(jīng)過優(yōu)化，可以最大限度地降低控制網(wǎng)絡所需的成本。此外，該團隊發(fā)現(xiàn)，大腦網(wǎng)絡的MDSets不僅僅取決于節(jié)點的程度，而是戰(zhàn)略性地定位以形成特定的控制架構。

因此，該團隊揭示了大腦網(wǎng)絡的隱藏控制架構，即與其他復雜網(wǎng)絡不同的分布式和重疊控制架構。該團隊發(fā)現(xiàn)，這種特定的控制架構帶來了針對目標攻擊(即對高度節(jié)點的優(yōu)先攻擊)的魯棒性，這可能是強大的腦功能對抗高度節(jié)點(即大腦區(qū)域)的優(yōu)先損害的基礎。 。

此外，該團隊發(fā)現(xiàn)，大腦網(wǎng)絡的特定控制架構還可以實現(xiàn)從一組節(jié)點活動定義的一種網(wǎng)絡狀態(tài)切換到另一種網(wǎng)絡狀態(tài)的高效率 - 這種能力對于遍歷各種認知狀態(tài)至關重要。

Cho教授說：“這項研究是首次嘗試對大腦網(wǎng)絡和其他現(xiàn)實世界的復雜網(wǎng)絡進行定量比較。了解大腦網(wǎng)絡的內(nèi)在控制架構可能會為治療目的或認知增強開發(fā)最佳干預措施。”

由Byeongwook Lee，Uiryong Kang和Hongjun Chang領導的這項研究于2019年3月29日在iScience上發(fā)表。