作者：刘永珍北京市海淀医院

大脑活动动态的基本机制仍然很大程度上未知。受统计物理学的启发，神经科学的跨学科研究表明，健康大脑的神经动力学保持接近临界状态，即处于有序与无序之间或异步或同步振荡活动之间的关键相变附近。

在物理学中，对于所谓的系统控制参数（例如温度）的特定值，临界现象发生在系统不同状态的转变（也称为相变）时。越来越多的证据表明生物系统（或部分、方面或群体）在临界点附近/处运行。例子包括基因表达模式、细菌聚类、群体动力学以及自发的大脑活动。事实上，神经系统似乎表现出了临界系统的特征。其中包括 (i)在不同物种中报道的神经雪崩的尺度不变性，通过不同的成像技术和电生理信号；(ii) 神经振荡振幅波动中存在长程时空相关性，包括观察同时记录的 MEG/EEG 信号15、功能磁共振成像关长度随着系统规模的增加而增加。关键大脑受益于这些新兴特征，可以对外部刺激做出迅速反应，从而最大限度地提高信息传输 ，从而提高对感官刺激的敏感性、信息存储以及协调的整体行为如果临界性确实是健康大脑的基本属性，那么神经功能障碍将改变这种最佳的动态配置。

然而，我们对大脑疾病对危重度的影响知之甚少。一些研究报告了癫痫发作、慢波睡眠、麻醉期间严重程度的中断、持续清醒、意识（无）状态以及阿尔茨海默病33。然而，对该假设的关键检验需要显示局灶性脑损伤后临界性的改变，导致大脑结构和功能架构的局部改变。如果临界性对于行为至关重要，那么局灶性损伤后其改变应与行为功能障碍有关。随着时间的推移，随着行为在恢复过程中得到改善，危重度也会随之改善。最后，我们假设恢复的关键性变化将取决于特定的可塑性机制或功能重塑，如先前的功能磁共振成像研究所示.我们的调查有几个方面。首先，我们采用随机全脑模型来模拟大规模神经动力学使用直接测量的中风患者或健康对照的结构连接作为输入。重要的是，我们不将由此产生的动态与经验测量的功能连接相拟合。在两个时间点测量的结构连接性：中风后 3 个月 ( t 1 ) 和中风后 1 年 ( t 2），或在健康对照中间隔 3 个月，用于构建个性化的全脑模型。病变肯定会导致正常结构连接的偏离，但这些结构改变并不一定对应于临界性的改变。临界动力学是由拓扑结构（由结构连通性决定）和给定的兴奋性值的组合产生的。我们的方法可以测量团体层面或个体参与者的关键性偏离，以及随着时间的推移关键性的恢复。这种方法与使用平均或基于图谱的结构连接模型来模拟活动时间过程的其他研究形成对比。例如，Haimovici等人最近的一项研究。发现病变将系统从临界状态推向亚临界状态。

然而，这些理论结果并未得到真实患者数据的验证。其他研究发现，与健康参与者相比，中风患者的网络功能全局指标异常，例如信息容量、整合和 .然而，这些模型不是个性化的，即不使用直接测量的个体结构连接，而是使用健康组平均结构连接组，该连接组与许多（数百个）自由模型参数相匹配，以最小化模型与经验功能连接之间的距离。其次，我们将这种计算模型策略应用于圣路易斯华盛顿大学前瞻性和纵向研究的一组独特的中风患者。该队列在中风后 2 周、3 个月和 12 个月进行了大量神经行为测试和结构功能磁共振成像研究。该队列在行为缺陷、恢复情况和病变负荷位置方面都代表了中风人群51。在之前的工作中，我们描述了该群体的行为、结构和功能连接异常及其与行为损伤和恢复的关系。用网络术语来说，中风会导致模块性急剧下降，并随着时间的推移而正常化。在这项工作中，我们使用中风作为人类局灶性脑损伤的典型病理模型和全脑计算模型来估计神经动力学、关键性和行为的相关改变以及潜在的神经机制。我们发现，中风病变会产生一种亚临界状态，其特征是神经活动、熵和功能连接水平降低，随着时间的推移，这种状态会与行为并行恢复。关键性的提高与特定的白质连接重塑有关。