脳の「バックグラウンドノイズ」が長年の謎の手がかりを握っている可能性

脳の電気的チャタリングに隠された信号を理解することで、科学者は睡眠、老化、その他のプロセスに関する情報を得ることができます。

2020 年 1 月、睡眠に関するシンポジウムで、 ジャンナ ランドナーは、人間の脳の活動における覚醒と無意識の境界を見つけるのに役立つ発見を発表しました。昏睡状態または麻酔状態の患者にとって、医師がこの区別を正しく行えるこ​​とが非常に重要です。そして、これは見た目よりもはるかに複雑です。つまり、レム睡眠の段階にある人間の脳は、 覚醒状態のときと同じ、なじみのある滑らかな脈動する波を生成します。



しかし、ランドナーは、これらの質問への答えは通常の脳波にあるのではなく、科学者が通常無視する脳活動の側面にあると主張した.これはランダムなバックグラウンド ノイズです。



一部の研究者は、この主張に懐疑的でした。 「彼らは言った: ノイズの中に有用な情報が隠されているということですか?」ドイツのテュービンゲン大学医療センターの麻酔科医である Landner は、最近カリフォルニア大学バークレー校で博士研究員の資格を取得しました。 「私は言った：はい、誰にノイズ、そして誰に - 信号。」



Landner は、脳の電気的活動のノイズがどのように機能するかの謎への手がかりを保持している可能性があるという考えに触発された、成長している神経科学者のグループに属しています。かつてはテレビの不快な雑音と神経学的に同等と考えられていたものが、脳の研究方法に突然大きな影響を与える可能性があります。



Bradley Wojtek は、さまざまな懐疑論者から、脳のノイズについて調査する価値は何もないと聞いています。しかし、老化プロセス中のこのノイズの変化に関する彼の独自の研究結果と、不規則な脳活動の統計的傾向に関する文献からの情報により、神経科学者が何かを見逃していると確信しました。そして、彼は数年間、科学者が収集したデータを再考するのを手伝いました。



カリフォルニア大学サンディエゴ校の認知科学およびデータ サイエンスの准教授である Wojtek は、「科学者のグループに声明を発表するだけでは十分ではありません。私たちは何か間違ったことをしていると思います。 「新しい作業ツールを提供する必要があります」、改善されたツール、または単に別のツールを提供する必要があります。





Bradley Wojtek氏



は、カリフォルニア大学サンディエゴとバークレー校の神経科学者と共同で、アルファ波などの周期的振動を隔離するプログラムを開発した.その結果、神経科学者は、行動、認識、および疾患における役割を分離するために、周期的な波と非周期的な脳活動の両方を調査する新しいツールを手に入れました。



彼らは、Voytek や他の科学者によって研究された現象を別の方法で呼んでいます。これを「1 / f バイアス」または「スケール フリー アクティビティ」と呼ぶ人もいます。 Wojtek は、「非周期的信号」または「非周期的活動」という名前を宣伝しています。



そして、これは単なる脳の気まぐれではありません。科学者が探しているパターンは、1925 年に科学者が自然と技術の両方によって生成されたさまざまな複雑なシステムで発見し始めた現象に関連しています。この統計的構造は、非常に多くの異なる状況で神秘的に現れているため、一部の科学者はこれを未発見の自然の法則の 1 つと見なしています。



過去 20 年間に、科学者が不整脈の脳活動を調査して説明した作品が出版されましたが、どれも不整脈の正確な内容を理解できませんでした。ただし、今日の生物学者は、新しい実験で非周期的な信号をより適切に分離し、古いデータをより深く研究するためのツールを持っています。Wojtekのアルゴリズムとその他の方法のおかげで、近年、銀河系の作品が登場し、非周期的な活動に隠された知識の宝庫という考えを公言し、老化、睡眠、子供の発達などの研究に革命を起こすことができる.

非周期的活動とは何ですか？

私たちの体は、慣れ親しんだ心拍と呼吸のリズム、つまり生存に必要な安定したサイクルを楽しんでいます。しかし、一見規則性がないように見えるリズムが脳内で聞こえますが、生活にとって同じように重要であり、行動や意識の手がかりの鍵を隠すことができます。



ニューロンがグルタミン酸などの化合物を使用して信号を別のニューロンに送信する と、受信側が活性化される可能性が高くなります。この状態をアジテーションと呼びます。逆に、ニューロンがガンマアミノ酪酸などの神経伝達物質を分泌すると、 、または GABA を使用すると、ホスト側の活性化の可能性が低下します。これは、阻害または抑制と呼ばれます。過度の興奮は発作を引き起こし、過度の抑制は睡眠の特徴であり、より深刻な場合には昏睡を引き起こします。



覚醒と抑制の微妙なバランスを研究するために、科学者は脳波記録、EEG を使用して脳の電気的活動を測定します。興奮と抑圧のサイクルが波を形成し、その波のさまざまな形がさまざまな意識状態に関連付けられています。たとえば、周波数が 8 ～ 12 Hz の脳波は、睡眠に関連するアルファ波を生成します。



しかし、脳の出力は完全な滑らかな曲線ではありません。高値から安値まで上昇し、下降し、アクティビティ チャートは前後にジャンプします。脳の働きに規則性がなく、むしろ電気的ノイズのようになってしまうことがあります。それは本当にランダムなコンポーネントであるホワイト ノイズを持っていますが、一部のコンポーネントはより興味深い統計構造を示しています。



Wojtek や他の科学者が関心を持っているのは、曲線の滑らかさとノイズを損なうこれらの欠陥です。 「もちろん、それはランダムですが、さまざまな事故があります」と彼は言いました。





すべてのノイズが同じように作成されたわけではありません。上記のスペクトログラムでは、低周波数が下にあり、高周波数が上にあります。色が明るいほど、強度が高くなります。左 - 周波数によって信号強度が変化しないホワイト ノイズ。中心にはピンクノイズ、1 / f があり、高周波での強度は一定の割合で低下します。右側のブラウン ノイズでは、強度が大幅に低下しています。



非周期的な活動を定量化するために、科学者たちは生の EEG データを分割し、プリズムが太陽光線を虹に分割するのとよく似ています。彼らは最初にフーリエ解析を適用しました。時間の経過に伴うデータの変化のグラフは、三角関数の合計で表すことができます。三角関数は、周波数と振幅で表すことができます。振幅対周波数は、パワー スペクトル プロットにプロットできます。



パワー スペクトルの振幅は、スプレッドが大きいため、通常、対数座標に配置されます。完全にランダムなホワイト ノイズの場合、パワー スペクトル曲線は比較的フラットで水平になり、傾きはゼロになります。つまり、すべての周波数でほぼ同じです。脳活動データは、低周波数では振幅が大きくなり、高周波数では強度が指数関数的に減少するときに負の傾きを持つ曲線を示します。この形式は 1 / f と呼ばれ、周波数と振幅の逆比を暗示しています。神経科学者は、このグラフの水平性または傾きが、脳内で起こっているプロセスについて何を伝えることができるかに関心を持っています。



このように脳波を分析することは、高速道路に架けられた鉄道橋で録音された録音を見ているようなものです。 ブリティッシュコロンビア大学の認知神経科学者、ローレンス・ウォード氏は次のように述べています。ランダムに通過する車からのタイヤの轟音は非周期的なバックグラウンド サウンドを生成し、10 分ごとの定期列車の笛は、バックグラウンド ノイズの音量を超えるピークを伴う周期的な信号を生成します。ホーンのホーンや車の衝突などの突然の単一のノイズは、顕著な音のバーストを生成し、1 / f の勾配に寄与します。



科学者は 1925 年以来、仕事からこの現象に精通しています。 真空管の騒音を研究したベル研究所のジョンソン氏。ドイツの科学者ハンス ベルガーは、わずか 4 年後に最初の人間の脳波を発表しました。その後数十年の間に、神経科学は、脳活動に存在する顕著な周期的波動に魅了されるようになりました。同時に、1 / f タイプの変動は、あらゆる種類の電気的ノイズ、株式市場の活動、生体リズム、さらには音楽にも見られますが、その理由は誰にもわかりません。





非周期的な 1 / f 脳活動 (上) は、フーリエ変換を使用して異なる周波数の一連の波 (中央) に変換され、パワー スペクトルがグラフ (下) にプロットされます。



おそらく、この現象の普遍性のために、多くの生物学者は、1 / f 活性の特徴から有用な信号を抽出できるという考えを却下してきました。ニューヨーク大学グロスマン医学部の神経科学、神経生物学、生理学の准教授であるビユ・ケ氏が2014年のレビューで書いている ように、彼らは科学機器がこのノイズの原因である可能性があると信じてい ました.



しかし、彼と他の人々は、測定器からの制御されたノイズを実験することによって、これらの疑惑を覆しました。このノイズは、脳の活動よりもはるかに少ないことが判明しました。 Neuron 誌の 2010 年の論文で、彼と同僚は次のことも 発見しました。EEG プロット、地殻の地震波、株価の変動は 1/f の傾向を示していますが、それらの高次の統計構造は異なります。この作品は、非周期的な信号が何らかの統一された自然の法則によって作成されるという考えに挑戦しました。



しかし、この問題はまだ最終的に解決されていません。ウォードは、さまざまな状況で数学的類似性を発見し、それらは根本的に共通する何かに基づいているに違いないと考えています。いずれにせよ、ウォードと彼は、脳のセンシングについて深く理解する価値があることに同意します。



「何十年にもわたって、1 / f の勾配での脳活動は重要ではないと考えられ、周期的な変動を強調するために分析から単純に除外されることがよくありました」と彼は 2014 年の論文に書いています。「しかし、非周期的な脳活動が脳機能の主要な要因であるという証拠が増えてきています。」

ノイズからの新しい信号

Wojtek は、ほとんど偶然に非周期信号のトピックに出くわしました。最初に、EEG からホワイト ノイズを除去するモデルを構築したいと考えました。しかし、データを処理するコードのジャングルをさらに深く掘り下げると、その内容に興味を持つようになりました。 2015年の研究彼の研究責任者でWojtekさんによって ロバート・ナイト、バークレー校の神経科学の教授は、より多くの非周期的な活動は、若い成人よりも高齢者の脳内に発生する方法を説明しました。 Wojtek と Knight は、加齢とともにホワイト ノイズが脳内で支配的になり始めることに気付きました。彼らはまた、このノイズと加齢に伴う記憶障害との間に相関関係があることも発見しました。







Wojtek は、神経科学者に、データの周期的特徴と非周期的特徴を自動的に分離できるソフトウェアを提供したいと考えていました。ずっと前に収集され、研究者が意味のある 1 / f トレンドを見つけるのに役立ちます。そして彼とチームはそのようなプログラムを書きました。



このようなツールが必要であることはすぐにわかりました。公開後 2018 年 4 月 11 日のサイト biorxiv.org のプログラムでは、1 か月にほぼ 2000 回ダウンロードされました。これは、神経科学分野のニッチな計算ツールとしてはかなりの量です。その年の 11 月、Wojtek は神経科学のコミュニティに向けて、このプログラムの使用方法を説明するプレゼンテーションを行いました。その人気の高さから、彼はセミナーを企画し、チームと共に、数十人の興味を持った科学者がプログラムに取り組むのを助けました。ワークショップとその後のメッセージの結果として、新しいコラボレーションが形成され始めました。



これらの 1 つは、睡眠中の覚醒の症状に関する研究にリンク されています。2020 年 7 月の eLife マガジンの Landner。このプログラムを使用して、Landner と彼の同僚は、被験者の EEG に記録された非周期的ノイズにおいて、レム睡眠段階の高周波活動が覚醒時よりも速く低下することを発見しました。つまり、パワースペクトルの傾きが大きくなりました。





睡眠中の脳活動のスペクトログラム。白いグラフは、スペクトルの傾きの変化を追跡します



。 Landner らは、彼らの研究で、非周期的な信号が、人間の意識の状態を説明するのに適した独特の特性として役立つ可能性があると主張しています。このような新しいマーカーは、麻酔の管理や昏睡状態の人々の治療に役立つ可能性があります。



Wojtek コードを使用した他の出版物には、注意欠陥障害に対する投薬の有効性と、自閉症の人の性別による脳活動の違いに関する研究が含まれています。このコードは、2020 年 11 月に査読付きジャーナル Nature Neuroscienceに初めて掲載されました 。コードの動作は、シミュレートされたデータで示されました。 Wojtek の研究室のポスドクである



Natalie Shavoronkov 氏は、通常、アルファ波などの周期的な振動を研究しています。彼女の言葉では、それらは「非周期的な信号よりも美しい」のです。しかし、最近、赤ちゃんの脳とその認知発達を特徴付ける電気信号の研究に目を向けると、彼女は問題に直面しました.赤ちゃんはエレガントなアルファ波を生成しません.これらの波がいつどのように現れ始めるかは、未解決の問題です。



Wojtek のアルゴリズムを使用して、彼女は赤ちゃんの脳からのオープン EEG データを分析しました。Developmental Cognitive Neuroscience に掲載された新しい 論文の中で、彼と Wojtek は、子供の人生の最初の 7 か月間に発見した重要な変化について説明しました。ただし、この活動が脳の発達に関連する課題への子供の関与に関連しているのか、それとも単に灰白質密度の増加から生じているのかを理解するには、さらに研究を行う必要があります。



Wojtek のコードは多くの新しい研究を生み出しましたが、これは非周期的ノイズ分析の唯一の例ではありません。 2015 年、Nvidia の Haiguang Wen とミシガン大学の Zhongming Liuがパデュー大学にいたとき、彼らは 公開された不規則なリサンプリング自動スペクトル分析（IRASA） -脳活動の周期および非周期成分を分離するためのアプローチの他の例を。そして、Biyu 彼は、これらのツールが両方とも登場する前からこの問題に取り組んでいました。また、最近退職した神経科学者のウォルター・フリーマンも、ヴォイテクに触発されて仕事をしていました。ところで、このタスクは手動で実行できますが、はるかに時間がかかります。



神経科学者がデータを分析しやすくするためのツールを用意することの重要性は、データ自体が一定期間にわたって収集された数値の集まりに過ぎないということです。このグラフだけでは、脳が適切に機能しているかどうかについては何もわかりません。



「神経科学では、解釈が重要です。これに基づいて、治療や医薬品の開発について決定を下します」と Wojtek 氏は述べています。彼によると、文献に蓄積された膨大な量のデータは、新しい方法で処理した後、新しいアイデアを生み出す可能性があります。「このデータを十分に深く処理していませんでした。」

どういう意味ですか？

これらの非周期的信号を研究する上での大きな障害は、それらが何によって発生するのかを正確に知る者がいないという事実です。さまざまな神経伝達物質、神経回路、および神経ネットワークの相互作用の寄与を明らかにするには、さらなる研究が必要であると、マギル大学の神経科学および神経外科、生物医学技術、およびコンピュータ サイエンスの教授であるSylvain Baileは述べてい ます。



「理由とソースはまだ特定されていません」とベイル氏は語った。 「しかし、研究は知識と観察を蓄積するために行わなければなりません。」



1 つの理論は、非周期的な信号が、脳が健康で活発に機能するために必要な覚醒と抑制の間の微妙なバランスを反映しているというものです。興奮しすぎると脳に負荷がかかり、抑制しすぎると脳が眠ってしまいます。



ナイトは、そのような説明は真実から遠くないと信じています。 「これが覚醒と抑制の比率の変化によるものであるとは言えませんが、これが最も可能性の高い説明だと思います」 - 彼は言った.



別の説明は、非周期的信号が脳の物理的組織化の結果であるというものです。



1 / f の振る舞いが他の物理システムでどのように現れるかに基づいて、ウォードは、非周期的な活動を生成する特定の構造的階層システムが脳内にあると結論付けています。これは、たとえば、膨大な数のニューロンがグループ化され、調和して機能するより大きな領域を形成する方法の結果である可能性があります。



この脳活動は、感覚データの処理に理想的である可能性があります。このようなデータは、1/f ゆらぎを示すことが多いためです。によって発表された2018年の研究で はThe Journal of Neuroscience では、脳が 1 / f を含む構造の音を予測する方法と、非周期的な活動が自然刺激の処理と予測にどのように関与しているかを調べています。バッハからジャズまで、どの音楽にも 1 / f 機能が含まれていることは驚くことではありません。結局のところ、人間の脳は音楽を作成します。



Wojtek 氏は、非周期的信号の起源に関する仮説を検証するためには、さまざまなタイプのニューロン活動を注意深く研究する必要があると述べました。神経科学者は、脳領域を一般的な生理学に関連付けて、どの神経メカニズムが特定の活動パターンを生成するかをよりよく理解し、さまざまな脳疾患で非周期的および周期的な信号がどのように見えるかを予測することができます。



Wojtek はまた、彼のコードを既存のデータセットに適用することにより、より大規模な研究を行うことを望んでいます。



Landner と Knight は現在、アラバマ大学の昏睡患者のデータを分析して、この脳活動が昏睡の発生と相関しているかどうかを調べています。彼らは、人が昏睡状態から回復すると、高周波の脳活動の増加が 1 / f グラフの傾きの変化という形で現れると予測しています。予備的な結果は有望に見える、と彼女は言った.



ベイルにとって、非周期的な脳信号は、重力によってのみ通常の物質と相互作用する宇宙の目に見えないフレームである暗黒物質をいくらか連想させます。それが何で構成されており、その特性が何であるかはわかりませんが、それは天の背景に存在し、気づかないうちに天の川が衰退するのを防いでいます。



科学者たちは、これらの非周期的な信号の原因をまだ突き止めていませんが、それらもまた、私たちの頭に含まれる宇宙の重要な補助構造を反映している可能性があります。神秘的な何かが、私たちの心を半眠りからそらすのに役立ちます。