Criticalidade e estados corticais
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Data de Publicação: | 2019 |
Tipo de documento: | Tese |
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Título da fonte: | Repositório Institucional da UFPE |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/35804 |
Resumo: | É bem estabelecido que a atividade cortical apresenta um rico repertório de estados dinâmicos, indo desde estados altamente sincronizados a estados dessincronizados. Inicialmente, esse estudo se deu a partir de registros de eletroencefalografia (EEG). Nas últimas décadas, com o desenvolvimento das técnicas de microfabricação de eletrodos, tornou-se possível o registro simultâneo da atividade de potenciais de ação (spikes) de populações de neurônios, tanto em animais anestesiados, quanto em comportamento livre. Esses registros permitiram um melhor entendimento dos estados corticais a partir de substratos neuronais. Entretanto, apenas recentemente, a rica fenomenologia de estados corticais foi explorada pela abordagem de sistemas críticos. Os primeiros estudos que alimentaram a hipótese do cérebro crítico são suportados por evidências experimentais (avalanches neuronais) que indicam que o cérebro paira sobre um ponto crítico pertencente à classe de universalidade de percolação direcionada no campo médio (Mean - Field Directed Percolation MF - DP), na qual o sistema passa por uma transição de fase de estado absorvente para ativo. Esses estudos, em diferentes configurações experimentais, têm levantado algumas controvérsias: por um lado, distribuições tipo leis de potência (assinatura de criticalidade) são encontradas durante oscilações lentas no sinal de Potencial de Campo Local (Local Field Potential - LFP) em animais sob efeito de anestésicos como cetamina-xilazina e isoflurano; por outro lado, correlações temporais de longo alcance (outra assinatura de criticalidade) são observadas em oscilações rápidas no sinal de LFP para animais em comportamento livre, mas não em animais anestesiados com cetamina-xilazina ou isoflurano. Esses resultados levam a um impasse no qual assinaturas de criticalidade podem depender do nível de sincronização, desafiando assim todo o quadro da percolação direcionada. Neste trabalho, usando dados próprios e publicamente disponíveis, mostramos que independentes assinaturas de criticalidade variam continuamente ao longo dos estados corticais, acessados pelo coeficiente de variação da atividade somada de spike. E, notavelmente, uma relação de escala prevista pela teoria de fenômenos críticos indica a emergência de um ponto crítico em um valor intermediário de variabilidade. Os expoentes do ponto crítico apontam para uma classe de universalidade diferente da percolação direcionada no campo médio (MF-DP). À medida em que o córtex flutua em torno desse ponto crítico, segue uma relação linear entre os expoentes das distribuições de avalanches que englobam resultados experimentais anteriores encontrados na literatura. |
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Esses registros permitiram um melhor entendimento dos estados corticais a partir de substratos neuronais. Entretanto, apenas recentemente, a rica fenomenologia de estados corticais foi explorada pela abordagem de sistemas críticos. Os primeiros estudos que alimentaram a hipótese do cérebro crítico são suportados por evidências experimentais (avalanches neuronais) que indicam que o cérebro paira sobre um ponto crítico pertencente à classe de universalidade de percolação direcionada no campo médio (Mean - Field Directed Percolation MF - DP), na qual o sistema passa por uma transição de fase de estado absorvente para ativo. Esses estudos, em diferentes configurações experimentais, têm levantado algumas controvérsias: por um lado, distribuições tipo leis de potência (assinatura de criticalidade) são encontradas durante oscilações lentas no sinal de Potencial de Campo Local (Local Field Potential - LFP) em animais sob efeito de anestésicos como cetamina-xilazina e isoflurano; por outro lado, correlações temporais de longo alcance (outra assinatura de criticalidade) são observadas em oscilações rápidas no sinal de LFP para animais em comportamento livre, mas não em animais anestesiados com cetamina-xilazina ou isoflurano. Esses resultados levam a um impasse no qual assinaturas de criticalidade podem depender do nível de sincronização, desafiando assim todo o quadro da percolação direcionada. Neste trabalho, usando dados próprios e publicamente disponíveis, mostramos que independentes assinaturas de criticalidade variam continuamente ao longo dos estados corticais, acessados pelo coeficiente de variação da atividade somada de spike. E, notavelmente, uma relação de escala prevista pela teoria de fenômenos críticos indica a emergência de um ponto crítico em um valor intermediário de variabilidade. Os expoentes do ponto crítico apontam para uma classe de universalidade diferente da percolação direcionada no campo médio (MF-DP). À medida em que o córtex flutua em torno desse ponto crítico, segue uma relação linear entre os expoentes das distribuições de avalanches que englobam resultados experimentais anteriores encontrados na literatura.CAPESIt is well established that cortical activity exhibits a rich repertoire of dynamical states, ranging from highly synchronous states to desynchronized states. This knowledge, initially based on electroencephalographic (EEG) recordings. In the last decades, with the development of electrode microfabrication techniques, this knowledge reached the spiking activity of large neuronal populations of both anesthetized and freely moving animals. These records allowed a better understanding of cortical states starting from neuronal substrates. However, only recently has the diversity of cortical states been systematically considered in studies of criticality. The first results that fueled the critical brain hypothesis are supported by experimental evidence (neuronal avalanches) that indicate that the brain hovers around a critical point belonging to the mean-field directed percolation (MF-DP) niversality class, in which the system undergoes an absorbent to active phase phase transition. Results in different experimental setups raised some controversy: on one hand, power law size distributions were found during strong slow LFP oscillations, under ketamine-xylazine and isoflurane anesthesia. On the other hand, long-range time correlations (another statistical signature of criticality) were observed during fast LFP oscillations in freely-behaving rats, but not under ketamine-xylazine anesthesia. Those results lead to a conundrum, where the signatures of a critical state might be dependent on the level of synchronization, thus challenging the whole picture of directed percolation. Here, using both new and publicly available data, we show that independent signatures of criticality vary continuously across cortical states, accessed by the coefficient of variation of the summed activity of spike. And, notably, a scale ration predicted by the theory of critical phenomena points to the emergence of a critical point in an intermediate value of spiking variability, in both anesthetized and freely moving animals. The critical exponents point to a universality class different from mean-field directed percolation (MF-DP). Importantly, as the cortex hovers around this critical point, it follows a linear relation between the avalanche exponents that encompasses previous experimental results from different setups.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em FisicaUFPEBrasilAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/embargoedAccessDinâmica Não-Linear, Caos e Sistemas ComplexosEstados corticaisCoeficiente de variaçãoCriticalidadeCriticalidade e estados corticaisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisdoutoradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALTESE Antonio Jorge Fontenele Neto.pdfTESE Antonio Jorge Fontenele Neto.pdfapplication/pdf9715511https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/35804/1/TESE%20Antonio%20Jorge%20Fontenele%20Neto.pdf2b4eac4d00ef409e77bde2ae83f7274dMD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; 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