A Computational Framework for Controlling the Self-Restorative Brain Based on the Free Energy and Degeneracy Principles
Frontiers in Computational Neuroscience 15Corresponding author
Abstract
The brain is a non-linear dynamical system with a self-restoration process, which protects itself from external damage but is often a bottleneck for clinical treatment. To treat the brain to induce the desired functionality, formulation of a self-restoration process is necessary for optimal brain control. This study proposes a computational model for the brain's self-restoration process following the free-energy and degeneracy principles. Based on this model, a computational framework for brain control is established. We posited that the pre-treatment brain circuit has long been configured in response to the environmental (the other neural populations') demands on the circuit. Since the demands persist even after treatment, the treated circuit's response to the demand may gradually approximate the pre-treatment functionality. In this framework, an energy landscape of regional activities, estimated from resting-state endogenous activities by a pairwise maximum entropy model, is used to represent the pre-treatment functionality. The approximation of the pre-treatment functionality occurs via reconfiguration of interactions among neural populations within the treated circuit. To establish the current framework's construct validity, we conducted various simulations. The simulations suggested that brain control should include the self-restoration process, without which the treatment was not optimal. We also presented simulations for optimizing repetitive treatments and optimal timing of the treatment. These results suggest a plausibility of the current framework in controlling the non-linear dynamical brain with a self-restoration process.
Korean summary
뇌가 외부 개입 후 스스로 원래 상태로 되돌아가려는 자기 복원 성질을 고려한 뇌 제어의 계산 틀을 제안한 연구입니다. 뇌의 자기 복원은 손상으로부터 뇌를 보호하지만 치료 효과를 무디게 하는 걸림돌이 되기도 하므로, 원하는 기능을 유도하려면 이 과정을 수식으로 표현해야 한다는 문제의식에서 출발했습니다. 연구팀은 자유에너지 원리와 퇴화(degeneracy) 원리에 기반해, 치료 전 회로가 주변 신경집단의 요구에 맞춰 오랫동안 형성되어 왔고 치료 후에도 그 요구가 지속되므로 회로가 점차 이전 기능을 되찾는다는 모델을 세웠습니다. 휴지기 활동으로 추정한 쌍별 최대 엔트로피 모델의 에너지 지형으로 치료 전 기능을 표현하고 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 자기 복원을 고려하지 않은 치료는 최적이 아니었으며 반복 치료와 치료 시점의 최적화도 가능함을 보였습니다. 비선형 동역학계인 뇌를 치료적으로 조절하는 데 자기 복원 과정을 반드시 반영해야 함을 제시한 이론 연구입니다.