研究人员揭示了大脑动力学中网络控制理论的生物学基础

中国科技大学何晓松研究员领导的团队揭示了颞叶癫痫(TLE)控制能量消耗与糖代谢的相关性，为网络控制理论(NCT)在脑动力学研究中的应用提供了生物学基础。这项工作发表在科学的进步11月9日。

了解各种不同的神经动力学机制大脑区域一直是主要关注点在神经科学。近年来，NCT这一源于工程学的理论被广泛应用于通过模拟不同大脑状态的转换来估计大脑动态过程中的控制能量。控制能量最初是指改变系统状态所需的能量输入。然而，当涉及到大脑动力学时，这种能量输入的生物对应物仍然未知，这对NCT的应用提出了问题。

通过对TLE患者和健康对照组的大脑结构进行比较，研究小组模拟了两个具有代表性的大脑动态过程，并计算了对照组在这些过程中消耗的能量。结果显示，与健康对照组相比，TLE患者激活边缘网络所需的全局最优控制能量(OCE)明显高于健康对照组。异常的能量效率与癫痫灶的偏侧化是一致的，这意味着癫痫灶同侧的7个边缘脑区消耗更多的控制能量来维持大脑动态。

使用正电子发射断层摄影术，该团队证实，这些大脑区域的基线糖代谢水平与对照能量的消耗水平呈负相关，这意味着较低的基线代谢需要更多的能量才能获得相同水平的激活。基线区域代谢的下降源于结构完整性的丧失，特别是在海马体中，并最终导致维持大脑动态的更高能量消耗。

该团队为大脑结构完整性(基线)之间的相关性提供了统一的框架葡萄糖代谢以及维持大脑动态所需的控制能量。通过提供控制能量的潜在生物学解释，这项工作为NCT在神经科学中的进一步应用奠定了基础。