Splatane neurony, zagubione spajki – basn o mózgowladnych sieciach

Prezentacja na temat: "Splatane neurony, zagubione spajki – basn o mózgowladnych sieciach"— Zapis prezentacji:

1 Splatane neurony, zagubione spajki – basn o mózgowladnych sieciach

2 Czymże jest mózg?

3 O co z tymi sieciami chodzi?
Sieć  konstrukt, abstrakcyjne odcedzenie najistotniejszych relacji Przykładowe pomiary: stopień (ilość połączeń) gęstość połączeń najkrótsza droga Słynne badanie z 6 degrees of separation O co z tymi sieciami chodzi?

4 Dlaczego sieci są ważne?
Sieć  konstrukt, abstrakcyjne odcedzenie najistotniejszych relacji Przykładowe pomiary: stopień (ilość połączeń) gęstość połączeń najkrótsza droga Słynne badanie z 6 degrees of separation Dlaczego sieci są ważne?

5

6 - Specjalny numer Neuro-informatics poświęcony mózgowym sieciom
- Publikacja na temat złożoności sieci mózgu w TiCS + wzrasta popularność DTI Ed Bullmore i Olaf Sporns publikują bardzo wpływowy tekst przeglądowy na temat sieci mózgu w Nature Reviews Neuroscience Liczba cytowań: (0,76 na dzień)

7

8

9 Ścieżki i 'zbicie' w praktyce: w tej sieci połączenia są drogie (2 zł/min.)

10 Ścieżki i 'zbicie' w praktyce: w tej sieci połączenia są drogie (2 zł/min.)
Połączenia są metabolicznie drogie Koszty energetyczne podtrzymywania funkcji Neuron musi być gotowy do generowania spajków Koszty rosną więc wraz z sumaryczną powierzchnią błony komórkowej neuronów

11 Ścieżki i 'zbicie' w praktyce: w tej sieci połączenia są drogie (2 zł/min.)
Koszty materiału dla podtrzymywania struktury Minimalizacja długości połączeń była ważną presją selekcyjną w ewolucji mózgów

12 Ścieżki i 'zbicie' w praktyce: w tej sieci połączenia są drogie (2 zł/min.)
Zwijanie się kory jest również ważne dla minimalizacji długości po- łączeń Za jej zwijanie się współodpowiedzialne są prawdopo- dobnie nie tylko geny, ale i fizyczne siły – napięcia generowane przez połączenia

13 Mózgi muszą jednak złapać równowagę między kosztami połączeń, a efektywnością transmisji

14 Mózgi muszą jednak złapać równowagę między kosztami połączeń, a efektywnością transmisji

15 Mały jest ten świat… Small-world networks
zarówno sieć neuronów C. Elegans jak i kora wzrokowa makaka czy sieć wzgórzowo-korowa kota

16 VLSI circuits

17 mózgi są sieciami 'małych światów'
- gdy sztuczną sieć neuronową trenujemy w dwóch zadaniach dając jej nagrodę za poprawność oraz minimalizowanie długości połączeń…

18

19

20

21 Hub – 'centrum' / pępek mózgu
In human brain networks, some regions have more connections to the rest of the network, greater clustering, shorter path-lengths and greater betweenness centrality (that is, they mediate a greater proportion of the shortest path connections between other regions). Such regions are called ‘hubs’ and include parts of medial parietal cortex, cingulate cortex and superior frontal cortex, indicated here by their ‘hub score’

22 Modularność oraz Connector Hubs 'centra komunikacyjne'

23

24

25

26

27 Motywy

28

29

30 Connector Hub - przykład

31 Dorsolateral Prefrontal Cortex
Rodzic

32 Sieciopower Dwa przypadki z 1999 roku

33 Wiele z funkcji jąder podstawy można opisać jako aspekty ‘action selection’ czyli selekcji adekwatnych zachowań Zakłada się, że jądra postawy służą mr. Mózgowi do selekcji odpowiedniego zachowania w zgiełku współzawodniczących planów ruchowych. Nie oznacza to, że jądra podstawy same dokonują tej selekcji Są natomiast ważnym narzędziem do jej dokonania i konsekwentnego wprowadzenia w życie (wygrywa tylko jedno zachowanie) Koordynacja dostępu do ograniczonych zasobów (ruchowych, poznawczych) koordynowanie dostępu do ograniczonych zasobów (ruchowych, poznawczych) Jądra Podstawy (Redgrave i inni, 1999)

34 Robot z zaimplementowanym mechanizmem selekcji zachowań wzorowanym na jądrach podstawy (Prescott i inni, 2002) robot dawał sobie radę i działał podobnie jak szczur w sytuacji konfliktu zachowań

35 Przedklinek we localized the brain areas where
metabolism was most impaired during the VS and returned to near-normal values after recovery (22, 23). Such analyses identified the precuneus (Brodmann areas 7 and 31) as the area showing the largest recovery-related metabolic changes (Figure 1), followed by a wide network of frontoparietal associative cortices. In some VS or MCS patients, the disorder of consciousness seems due to a functional “disconnection syndrome” (16, 24). Long-range corticocortical (between midline-posterior and latero-frontal areas) and corticothalamic (between midline-posterior cortices and nonspecific thalamic nuclei) disconnections could be identified in a cohort of VS patients, and the rare cases that recovered showed a partial functional restoration of these connections (22, 25). Przedklinek

36

37

38 Sieciopower Struktura i funkcja

39 Przewidywanie funkcjonalnej 'łączliwości' na podstawie struktury
Struktura i funkcja

40 Struktura i funkcja Neural Avalanches:
Struktura i funkcja

41 Zniesiona łączność funkcjonalna podczas snu

42

43 Teoria Globalnej Przestrzeni Roboczej

44 IQ w sieci Efektywność sieci a IQ
odwrotna zależność między IQ, a długością ścieżki w sieci mózgowej

45 IQ w sieci pozytywna zależność między IQ a 'centralnością' węzłów w regionach ciemieniowych w zgodzie z czołowo-ciemieniową teorią inteligencji Wyższa alpha (10.5–12 Hz)

46 pamięć robocza w sieci Beta connectivity

47 Przetwarzanie słów Alpha connectivity
In this work, we use network analysis techniques that could potentially capture previously hidden oscillatory processes that might prove key to understanding the complex mechanisms underlying cortical-cortical transmission of information. The work reveals a dynamic network evolutionmore nuanced than originally thought, with putative network signatures of the information-processing phenomenon appearing and disappearing in a given temporal epoch. Through the ability to measure and quantify oscillatory activity with new network analysis techniques, dimensions of the neural processes involved, even in this simple task, can become critical elements of an overallmodel of information flow in the brain.While the simplicity of the surgical disconnection revealed the presence of complex interhemispheric communication patterns, it did not offer an explanation as to how that interhemispheric communication occurred.We hope these network-based approaches will contribute to a deeper understanding of those processes.

48 Sieciowe korelaty zaburzeń mózgowych
Zmiany i Zaburzenia Sieciowe korelaty zaburzeń mózgowych

49 Koszty metaboliczne centralnych węzłów
uwaga w stronę Basi i 'treningowców' – kosztowne, ważne węzły, usprawnienie metabolizmu może je 'odetkać' – dając poznawczą poprawę (może nawet interakcja!)

50

51 Funkcjonalnie - wzrasta długość ścieżki w sieci synchornizacji w paśmie beta (13-30 Hz, na poziomie elektrod). Ponadto – długość ścieżki koreluje z wynikami behawioralnymi (MMSE)

52

53

54 Konkluzje mózg jest złożoną siecią o topologii cechującej się:
mało-światowym bilansem efektywności i długości połączeń modularnością oraz istnieniem międzymodułowych 'connector hubs' obecnością 'strukturalnego rdzenia' (rich-club) miary zaczerpnięte z teorii grafów pozwalają na: skompresowany opis złożonych sieci obserwację zależności między strukturą sieci, a 'psychologicznymi zmiennymi' publikację w dobrych czasopismach naukowych Sieć  konstrukt, abstrakcyjne odcedzenie najistotniejszych relacji Przykładowe pomiary: stopień (ilość połączeń) gęstość połączeń najkrótsza droga Słynne badanie z 6 degrees of separation Konkluzje Jeżeli ciekawi was coś z tego, piszcie: obczajcie: Ed Bullmore, Olaf Sporns

55 Konkluzje Warto się za sieciowe analizy zabrać
freely available and open source Matlab toolbox ( są grafowe funkcje na matlaba, pythona ale też standalone programy SIFT, FieldTrip, SPM Sieć  konstrukt, abstrakcyjne odcedzenie najistotniejszych relacji Przykładowe pomiary: stopień (ilość połączeń) gęstość połączeń najkrótsza droga Słynne badanie z 6 degrees of separation Konkluzje Jeżeli ciekawi was coś z tego, piszcie: obczajcie: Ed Bullmore, Olaf Sporns