Brain Dynamics from the Perspective of Complex Networks of Interacting Nonlinear Oscillators

Dong-Uk HWANG
2016 Physics and High Technology  
The brain is the central organ controlling all the other organs of the body and processing sensory information. While an animal is alive, the brain generates complicated and noise-like electrical activities spontaneously without interruption. However, specific visual or auditory stimulations can induce specific patterns of brain activity, and these pheonomena prove that the brain's electrical activity is strongly related to information processing in the brain. The relation of brain activity and
more » ... brain activity and information processing is also supported by the presence of electrical activities and interactions between neurons. In this article, recent interesting research on the dynamics of interacting nonlinear oscillators in complex networks, which is relevant to understand brain dynamics, will be discussed. 서 론 뇌는 신체의 다양한 행동을 관장하고 외부로부터 오는 감각 정보를 처리하는 중추적인 기관이다. 뇌는 물리적인 행동을 하 지 않지만, 생명이 지속되는 동안 끊임없이 자발적으로 복잡한 형태의 전자기 신호를 생성한다. EEG(Electroencemphalogram, 뇌전도)와 같은 장비로 측정되는 뇌의 전기적 활동은 생명징후 (Vital sign) 중의 하나로 사용될 정도로 생명과 직접적으로 연 관되어 있다. 하지만, 특정 감각 자극이나 특정 임무를 수행할 때 일관된 신호를 보여주어, 무작위적인 전기적 활동이 아닌 뇌의 정보처리를 반영하는 중요한 활동이다. 이러한 뇌의 동적 거동은, 뇌를 부분적으로 이루고 있는 신경세포의 활동전위 (action potential)와 신경세포간의 상호작용에 의함이 잘 알려 져 있다. 이 글에서는, 뇌의 동적 거동을 연구하는 하나의 방향으로서 네트워크로 연결된 비선형 진자에 대한 연구 중 뇌동역학과 관련된 몇 개의 주목할 만한 연구들을 살펴보고자 한다. 뇌동역학과 네트워크로 연결된 비선형 동역학계 뇌에서의 정보처리의 핵심은 매우 복잡한 구조로 연결된 신 경세포 네트워크에 의해 이루어진다고 믿어지고 있다. 따라서 뇌에서의 정보처리 과정에 대한 이해를 위해서는 신경세포의 전기적 활동과 신경세포 간의 전기적 화학적 상호작용에 대한 이해가 중요하다. 또한 상호작용은 단지 물리적으로 주변에 있 는 신경세포만이 아니라 비교적 멀리 떨어진 신경세포로 연결 되어 상호작용한다. 이러한 신경세포의 복잡한 연결망에 대한 연구를 통해 뇌를 이해하고자 하는 패러다임으로 커넥톰 또는 뇌 네트워크에 대한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 커 넥톰은 모든 신경세포의 연결지도를 뜻하며, 뇌 네트워크는 미 시적인 연결구조뿐만 아니라 거시적인 뇌의 영역간의 연결 또 는 중시적인 칼럼구조 간의 연결 등 다양한 스케일에서의 네 트워크를 뜻한다. 이러한 뇌 네트워크에서 노드를 해석되는 미 시적인 신경세포, 중시적인 칼럼구조 또는 거시적인 영역은 기 존의 다양한 연구를 통해서, Hodgekin-Huxley 모델, Wilson-Cowan 모델 등과 같이 동역학적인 모델로 다양한 연구가 수 행되어 왔다. 이러한 뇌 네트워크 위에서 신경세포 활동의 총합이 뇌동역 학이며, 뇌동역학은 정보처리, 신체활동 조정, 더 나아가 의식 의 여부로 해석된다. 따라서 이러한 뇌의 기능을 이해하기 위 해서 복잡한 뇌 네트워크 위에서의 동역학적 거동에 대한 연 구가 매우 중요하다. 뇌에서 신경세포 연결망의 중요성과 동역
doi:10.3938/phit.25.046 fatcat:vyuyius6l5d37ktullydnj7kw4