تجزیه و تحلیل جدید مبتنی بر فرکانس از ثبت نورون‌های مغز، می تواند بینشی در مورد آسیب‌ شناسی های مغز مانند بیماری پارکینسون ارائه دهد.

فرضیه بحرانی مغز بیان می کند که مغز در مرز بین نواحی دینامیکی منظم و نامنظم عمل می کند. دانشمندان علوم اعصاب معتقدند که نزدیک بودن به لبه بی ثباتی احتمالاً ظرفیت مغز را برای پردازش، ذخیره و انتقال اطلاعات افزایش می دهد. بسیاری از تلاش‌ها برای تایید این فرضیه بر ویژگی‌های آماری میانگین زمان سرعت شلیک نورون متمرکز شده‌اند. روبن کالوو Rubén Calvo و همکارانش از دانشگاه گرانادا اکنون روشی را برای تجزیه و تحلیل ویژگی ای به نام کوواریانس به روشی که توزیع زمانی آن شلیک ها را به حساب می آورد، ایجاد کرده اند [1]. این محققان می گویند که رویکرد آنها می تواند به تقویت شواهد برای فرضیه بحرانی مغز کمک کند.

ماتریس کوواریانس یک ابزار استاندارد برای توصیف همبستگی بین نرخ شلیک بسیاری از جفت‌های نورون است. برای یک مجموعه داده بزرگ، این ماتریس از نظر ریاضی با تعداد زیادی به اصطلاح ویژه-مقدار مرتبط است که توزیع آنها اطلاعاتی کلیدی در مورد مجموعه داده ارائه می دهد. اخیراً نشان داده شده است که وقتی روی داده‌ها میانگین زمانی گرفته شود، با نزدیک شدن سیستم به نقطه بحرانی، توزیع ویژه مقدار از قانون توان پیروی می‌کند. بنابراین توزیع ویژه مقدار، نشانه ای از میزان فاصله تا بحرانی بودنِ یک سیستم معین است.

برای به حساب آوردن الگوهای شلیک وابسته به زمان که معمولاً در فعالیت عصبی مشاهده می شود، کالوو و همکارانش این نتیجه را با تجزیه و تحلیل نسخه ای از ماتریس کوواریانس که وابسته به فرکانس است تعمیم دادند. آنها نشان دادند که طیف ویژه مقدار می‌تواند برای استنتاج فاصله تا بحران برای هر باند فرکانسی خاص مورد استفاده قرار گیرد. آنها تجزیه و تحلیل خود را روی مجموعه داده‌ای که از بیماران مبتلا به بیماری پارکینسون گرفته شده است، اعمال کردند و متوجه شدند که فعالیت عصبی ثبت ‌شده در مقایسه با داده‌های داوطلبانی که به این بیماری مبتلا نیستند، برای طیف وسیع‌تری از فرکانس‌ها نزدیک به بحرانی است. محققان بر این باورند که تجزیه و تحلیل وابسته به فرکانس آن‌ها به ابزارهای تشخیصی جدیدی منجر می شود که می تواند حالت‌های سالم مغز را از حالت های آسیب دیده تشخیص دهد.

-1R. Calvo et al., “Frequency-dependent covariance reveals critical spatiotemporal patterns of synchronized activity in the human brain,” Phys. Rev. Lett. 133, 208401 (2024).

منبع:

Assessing the Brain at a Range of Frequencies