神経科学：時空間的脳動態の普遍的な埋め込みとしての覚醒

覚醒中の動物の神経活動は、行動および生理学的な測定値と、広範かつ時空間的に多様な相関を示す。我々は、この共変動の一部が、脳規模および全身規模の生理状態を秒単位のスケールで組織している基盤的な覚醒関連過程の、構造化された非線形動態を反映していると提案する。この解釈を動的システム理論の枠に収めると、意外な予想に行き着く。すなわち、覚醒に関する単一のスカラー測定値（例えば瞳孔径）だけで、大規模な脳生理状態の多次元的・時空間的な測定値の連続的推移を再構成するのに十分だという説である。本論文で我々は、この仮説を検証するため、覚醒マウスで多モードの皮質規模の光学画像化と行動モニタリングを行った。我々は、瞳孔径の時間遅延埋め込みから再構築された低次元非線形多様体によって、ニューロンのカルシウム、代謝、および脳血流中酸素の秒スケールでの時空間的動態は正確・簡潔にモデル化できることを実証する。この枠組みを、Allen Brain Observatoryの行動および電気生理学的測定値に拡張することで、さまざまな実験データを、共通の覚醒多様体からのマッピングを介して、統一的な生成モデルに統合できることを実証する。今回の結果は、自発的で空間的に構造化された秒スケールの脳規模の生理的ゆらぎ（領域特異的な神経間コミュニケーションを反映すると一般に解釈されている）は、その大部分が低次元の個体規模の動的システムの表現だとする仮説を支持する。次に、覚醒自体を潜在的な動的システムと枠付けし直すことで、複数のモダリティー・文脈・スケールで観察される脳・身体・行動のゆらぎに、新たな視点を提供することができる。

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