Modeling Phase Transitions in the Brain

پیشگفتار والتر جی فریمن.

القای بیهوشی با استفاده از داروهای بیهوشی نشان می‌دهد که قشر مغز می‌تواند در دو حالت بسیار متفاوت عمل کند: هوشیار و پاسخ‌دهنده. در مقابل ناآگاه و ساکت. اما حالت‌های بیداری و خواب ویژگی‌های تک نورونی نیستند --- آنها به‌عنوان ویژگی‌های توده‌ای از جمعیت‌های همکار نورون‌ها ظاهر می‌شوند، با تغییر بین حالت‌ها شبیه به تغییر فیزیکی فاز مشاهده‌شده هنگام یخ زدن آب یا ذوب شدن یخ است. برخی از انتقال‌های حالت مغز، مانند دوچرخه‌سواری در خواب، القای بی‌هوشی، تشنج صرع، واضح هستند و به آسانی با چند الکترود EEG شناسایی می‌شوند. دیگران، مانند پیدایش ریتم های گاما در حین شناخت، یا ریتم های بسیار آهسته BOLD تداعی آزاد آرام، بسیار ظریف تر هستند. موضوع واحد این کتاب این مفهوم است که همه این تغییرات عمده در رفتار مغز را می توان به عنوان انتقال فاز بین حالات مغزی متمایز در نظر گرفت.

\"مدل سازی انتقال فاز در Brain\" شامل بخش‌های فصلی از محققان برجسته است که روش‌های فضای حالت، مدل‌های شبکه، و رویکردهای پیوسته با انگیزه بیوفیزیکی را برای بررسی طیف وسیعی از مشکلات مرتبط با علم اعصاب که شامل تجزیه و تحلیل سری‌های زمانی EEG غیر ثابت است، به کار می‌برند. توپولوژی های شبکه ای که گسترش صرع را محدود می کند. زین - انشعاب گره برای بیهوشی، دوچرخه سواری در خواب و بیداری - سوئیچ خواب. پیش‌بینی ناپایداری‌های فضایی-زمانی دینامیکی و نویز ناشی از نوسانات نوار مغزی BOLD، آلفا و گاما، ساختارهای تورینگ تعدیل‌شده با اتصال شکاف، و برهم‌کنش‌های Hopf-Turing که منجر به امواج قشر مغز می‌شود.

نوشته شده برای:

محققان، پزشکان، پزشکان، متخصصان مغز و اعصاب

Alistair Steyn-Ross و Moira Steyn-Ross فیزیکدانان محاسباتی و نظری در گروه مهندسی، دانشگاه Waikato، نیوزیلند هستند. آنها علاقه دیرینه ای به استفاده از روش های مبتنی بر فیزیک برای به دست آوردن بینشی در مورد رفتار نوظهور سیستم های زیستی پیچیده مانند تک نورون ها و جمعیت های عصبی در حال تعامل دارند.

Foreword by Walter J. Freeman.

The induction of unconsciousness using anesthetic drugs demonstrates that the cerebral cortex can operate in two very different modes: alert and responsive versus unaware and quiescent. But the states of wakefulness and sleep are not single-neuron properties---they emerge as bulk properties of cooperating populations of neurons, with the switchover between states being similar to the physical change of phase observed when water freezes or ice melts. Some brain-state transitions, such as sleep cycling, anesthetic induction, epileptic seizure, are obvious and detected readily with a few EEG electrodes; others, such as the emergence of gamma rhythms during cognition, or the ultra-slow BOLD rhythms of relaxed free-association, are much more subtle. The unifying theme of this book is the notion that all of these bulk changes in brain behavior can be treated as phase transitions between distinct brain states.

"Modeling Phase Transitions in the Brain" contains chapter contributions from leading researchers who apply state-space methods, network models, and biophysically-motivated continuum approaches to investigate a range of neuroscientifically relevant problems that include analysis of nonstationary EEG time-series; network topologies that limit epileptic spreading; saddle--node bifurcations for anesthesia, sleep-cycling, and the wake--sleep switch; prediction of dynamical and noise-induced spatiotemporal instabilities underlying BOLD, alpha-, and gamma-band EEG oscillations, gap-junction-moderated Turing structures, and Hopf--Turing interactions leading to cortical waves.

Written for:

Researchers, clinicians, physicians, neurologists

About the editors:

Alistair Steyn-Ross and Moira Steyn-Ross are computational and theoretical physicists in the Department of Engineering, University of Waikato, New Zealand. They share a long-standing interest in the application of physics-based methods to gain insight into the emergent behavior of complex biological systems such as single neurons and interacting neural populations.