隱藏的大腦網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)揭開面紗

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

雖然效率和穩(wěn)健性通常被認(rèn)為具有權(quán)衡關(guān)系，但人類大腦在執(zhí)行復(fù)雜的認(rèn)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(guān)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(luò)的內(nèi)在控制結(jié)構(gòu)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(luò)的內(nèi)在控制架構(gòu)。他們采用跨學(xué)科方法，跨越連通組學(xué)，神經(jīng)科學(xué)，控制工程，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)，檢查各種物種的結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)，并將其與其他生物網(wǎng)絡(luò)的控制結(jié)構(gòu)以及人造網(wǎng)絡(luò)進行比較，如作為社會，基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)網(wǎng)絡(luò)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性腦網(wǎng)絡(luò)。

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(luò)的控制架構(gòu)，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(luò)在內(nèi)的各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但它們尚未在腦網(wǎng)絡(luò)中進行過研究。

通過探索和比較各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的MDS組成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)原理，該團隊描繪了他們獨特的控制架構(gòu)。有趣的是，該團隊發(fā)現(xiàn)，與其他復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相比，大腦網(wǎng)絡(luò)中MDSets的比例非常小。這一發(fā)現(xiàn)意味著大腦網(wǎng)絡(luò)可能已經(jīng)過優(yōu)化，可以最大限度地降低控制網(wǎng)絡(luò)所需的成本。此外，該團隊發(fā)現(xiàn)，大腦網(wǎng)絡(luò)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(gòu)。

因此，該團隊揭示了大腦網(wǎng)絡(luò)的隱藏控制架構(gòu)，即與其他復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)不同的分布式和重疊控制架構(gòu)。該團隊發(fā)現(xiàn)，這種特定的控制架構(gòu)帶來了針對目標(biāo)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(chǔ)。 。

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

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

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