研究团队构建量化大脑控制成本的框架

大脑在日常生活中执行各种认知和行为功能，灵活地过渡到各种状态以执行这些功能。科学家将大脑视为一个通过控制其状态来执行众多功能的系统。为了更好地了解大脑中这种控制的特性，科学家们寻找方法来估计大脑从一种状态转换到另一种状态时的控制难度或控制成本。因此，一组研究人员进行了一项研究来量化大脑中的这种控制成本，并成功地建立了一个评估这些成本的框架。

控制向某些状态的过渡比控制向其他状态的过渡产生更大的“成本”。随着量化转换成本的框架的发展，科学家们将有办法评估不同大脑状态之间转换的难度。可能，他们也可能有一个可量化的措施来解释认知负荷、睡眠-觉醒差异、认知任务的习惯和精神疾病。

这项工作发表在《神经科学杂志》上。

该团队致力于建立一个新的框架来量化控制成本，该框架考虑了神经活动的随机性或随机性。这种随机性在以前的研究中被忽略了。当前神经科学中的控制范式使用无法考虑随机性的确定性框架。但众所周知，神经动力学是随机的，噪声在整个大脑中无处不在。“在这项工作中，我们解决了随机性问题，并首先提出了一个新的理论框架，该框架在考虑到神经动力学的随机波动的情况下量化控制成本，”艺术与科学研究生院的博士生 Shunsuke Kamiya 说。在东京大学。

在他们的研究中，研究人员建立了随机控制成本的解析表达式，这使他们能够计算高维神经数据中的成本。通过解析表达式，他们发现最优控制成本可以分解为控制均值和协方差的成本。“这种分解使我们能够研究不同的大脑区域如何以不同方式控制从一种大脑状态到另一种大脑状态的转变，”Kamiya 说。

研究人员还确定了人类全脑成像数据中认知任务最佳控制的重要大脑区域。他们使用 352 名健康成年人的人类全脑成像数据，检查了从静息状态到七种认知任务状态转换的最佳控制中的重要大脑区域。他们发现，对于这些不同的转变，较低的视觉区域通常在控制均值方面发挥重要作用，而后扣带皮层通常在控制协方差方面发挥重要作用。后扣带皮层是边缘叶的上部，边缘叶是大脑中在记忆和情绪行为中起重要作用的区域。

在这项研究中，该团队只考虑了以最佳方式控制大脑状态转换的最佳控制成本，并使随机控制成本最小化。然而，在真实的神经系统中，状态转换不太可能以最佳方式进行控制。东京大学艺术与科学研究生院副教授 Masafumi Oizumi 说：“一个有趣的未来方向将是在任务期间使用神经数据比较最佳控制的动力学和实际动力学。”

展望未来的研究，Oizumi 解释说，他实验室的最终目标是了解大脑动力学与人类行为、认知和意识之间的联系。“例如，我们怀疑大脑动力学的可控性下降可能与精神疲劳或意识丧失有关。我们期望控制理论的观点将为实现这一目标提供新的见解，”Oizumi 说。