DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-026-10132-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42045604
تاريخ النشر: 2026-04-27
المؤلف: Forough Habibollahi وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الأعصاب ووظيفة الدماغ
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في ديناميات شبكات الحصيني فيما يتعلق بالنقدية، وخاصة في سياق ترميز الذاكرة والأداء المعرفي. تفترض أن الأنظمة الديناميكية، بما في ذلك الدماغ، يمكن أن تنتقل بين حالات مرتبة وغير مرتبة، حيث تمثل “الحالة الحرجة” توازنًا مثاليًا لمعالجة المعلومات. تستخدم هذه الدراسة تصوير الكالسيوم واسع المجال لمراقبة نشاط مئات من خلايا CA1 العصبية في الفئران التي تتصرف بحرية خلال ظروف مختلفة، بما في ذلك الراحة، ومهمة التعرف على كائن جديد (NOR)، وبعد إعطاء السكوبولامين، الذي يضعف الذاكرة المكانية.
تشير النتائج إلى أن شبكات الحصيني تظهر خصائص حالة قريبة من النقدية أثناء الراحة، لكنها تقترب من النقدية خلال مهمة NOR، مما يشير إلى زيادة الانخراط المعرفي. على العكس، عندما يتعرض أداء الذاكرة للخطر بسبب السكوبولامين، ينحرف نشاط الشبكة عن النقدية. تشير هذه النتائج إلى أن شبكات الحصيني تقترب بشكل تكيفي من النقدية تحت الحمل المعرفي، مما يحسن نطاقها الديناميكي وقدرات معالجة المعلومات. علاوة على ذلك، قد تكون الانحرافات عن هذه الحالة الحرجة بمثابة علامات حيوية للعيوب المعرفية المرتبطة بالحالات العصبية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أنماط النشاط الكهربائي المعقدة التي تظهرها مجموعات الخلايا العصبية، مع التركيز بشكل خاص على “الانهيارات العصبية”، وهي تسلسلات عفوية من إطلاق الخلايا العصبية. يتم تحليل هذه الأنماط من خلال عدسة النقدية، وهو مفهوم من فيزياء المادة المكثفة يصف حالة بين النظام والفوضى. تسلط الورقة الضوء على أن الديناميات القريبة من النقدية قد تعزز الوظائف المعرفية مثل التعلم والذاكرة، على الرغم من أن العلاقة بين الحمل المعرفي والنقدية لا تزال محل نقاش. تشير بعض الدراسات إلى أن زيادة المطالب المعرفية تحافظ على الدماغ في حالة قريبة من النقدية، بينما تشير دراسات أخرى إلى تحول نحو ديناميات دون النقدية خلال المهام المعرفية.
يؤكد المؤلفون على أهمية فهم الديناميات الحرجة في الحصين، وهي منطقة في الدماغ حاسمة للذاكرة والملاحة المكانية، ويلاحظون أن الدراسات السابقة اعتمدت بشكل أساسي على القياسات الكلية، مما قد يقدم تحيزات. يقدمون نتائج من تجاربهم الخاصة باستخدام تصوير الكالسيوم في منطقة CA1 من الحصيني في الفئران، مما يكشف أن الانخراط في مهمة التعرف على كائن جديد يدفع الديناميات العصبية أقرب إلى النقدية. على العكس، فإن إعطاء السكوبولامين، الذي يحاكي العيوب المعرفية التي تُرى في مرض الزهايمر، يحول هذه الديناميات بعيدًا عن النقطة الحرجة. تسهم هذه الدراسة في فهم كيفية تأثير الديناميات الحرجة على العمليات المعرفية وتقترح أن القرب من سلوك مشابه للنقدية يمكن أن يتفاوت بناءً على الحمل المعرفي والحالات الدوائية.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون اختبار التعرف على كائن جديد (NOR) لتقييم الذاكرة طويلة الأمد في الفئران. تضمنت إعدادات التجربة تكييف الحيوانات في غرفة تسجيل صامتة لمدة 30 دقيقة قبل الاختبار. تم إجراء مهمة NOR في ساحة بلاستيكية مربعة (33 سم × 33 سم × 20 سم)، حيث استكشفت الفئران أولاً كائنين متطابقين خلال مرحلة التعرف لمدة 15 دقيقة. بعد فترة فاصلة بين الجلسات مدتها 10 دقائق، تعرضت الحيوانات لكائن مألوف وكائن جديد لتقييم الذاكرة التعرفية. تم تنظيف الساحة والأشياء بدقة باستخدام 80% إيثانول للقضاء على إشارات الرائحة قبل كل جلسة.
استخدمت جلسات التسجيل برنامج استحواذ مصمم خصيصًا بمعدل أخذ عينات قدره 30 إطارًا في الثانية، وتم إجراء تحليل السلوك باستخدام برنامج TopScan. بعد التجارب الأولية لـ NOR، تم استبعاد حيوانين بسبب مشاكل في الحركة، بينما خضعت ستة حيوانات متبقية لاختبارات NOR متكررة. تلقت هذه الحيوانات حقن محلول ملحي (0.9% NaCl) قبل مرحلة التعرف الأولى، تلاها حقن السكوبولامين (0.6 ملغ/كغ من كتلة الجسم) بعد فترة توقف لمدة أسبوعين، مع الحفاظ على بروتوكولات تجريبية متسقة طوال الوقت. سمحت هذه المنهجية بفحص النشاط العصبي في منطقة CA1 خلال مهمة NOR، مما يوفر رؤى حول تأثيرات السكوبولامين على التعرف على الذاكرة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم استخدام ثمانية فئران من نوع C57BL/6 للتحقيق في الديناميات العصبية في الحصين خلال كل من الحركة الحرة ومهمة ذات صلة بالذاكرة، وهي اختبار التعرف على كائن جديد (NOR). بعد حقن GCaMP6f AAV في منطقة الحصيني اليمنى وزرع عدسة ذات مؤشر تدرجي (GRIN)، تم تجهيز الفئران بمينيسكوب لجمع البيانات. سجلت التسجيلات نشاطًا من متوسط 290 خلية عصبية من CA1 خلال جلسات مدتها 15 دقيقة، مما سمح بتحديد أحداث الكالسيوم التي تشير إلى إمكانات العمل العصبية والتحليل اللاحق للانهيارات العصبية.
استخدمت الدراسة عدة مقاييس لتقييم النقدية للنشاط العصبي. تم تحليل متوسط حجم الانهيار ($\langle S \rangle$) بالنسبة لمدة الانهيار، مما أدى إلى حساب معامل الانحراف عن النقدية (DCC)، الذي يشير إلى مدى اقتراب النظام من النقدية. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس نسبة التفرع (BR)، التي تعكس نسبة الوحدات النشطة في نقاط زمنية متتالية، مع القيم القريبة من 1 تشير إلى ديناميات حرجة. كما قامت تحليل انهيار الشكل (خطأ SC) بتحديد دقة ملفات الانهيار التي تنهار إلى شكل عالمي، مع تقليل الخطأ يشير إلى النقدية. كانت النتائج تهدف إلى تحديد ما إذا كان الانخراط في مهمة ذاكرة سيحول ديناميات الشبكة نحو النقدية مقارنة بحالة الراحة التي لوحظت في قفص المنزل.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في ديناميات شبكات خلايا CA1 العصبية في الحصيني في ذكور الفئران من نوع C57BL/6 خلال المهام المعرفية، وخاصة مهمة التعرف على كائن جديد (NOR)، وكيف تتأثر هذه الديناميات بفقدان الذاكرة الناتج عن السكوبولامين. أشارت النتائج إلى أنه خلال مهمة NOR، انتقل النشاط العصبي أقرب إلى حالة حرجة، كما يتضح من انخفاض معامل الانحراف عن النقدية (DCC) وزيادة نسبة التفرع (BR). على العكس، أدى إعطاء السكوبولامين إلى انخفاض كبير في الأداء المعرفي وتحول بعيدًا عن النقدية، مما يشير إلى أن الأداء المعرفي الأمثل مرتبط بديناميات قريبة من النقدية في الحصين.
استخدمت الدراسة تقنيات تصوير الكالسيوم المتقدمة لالتقاط النشاط العصبي، مما سمح بتحليل مفصل لمقاييس النقدية. تتماشى النتائج مع التوقعات النظرية التي تشير إلى أن الديناميات الحرجة تعزز معالجة المعلومات والأداء المعرفي. يقترح المؤلفون أن الانخراط المعرفي يعدل توازن الإثارة-التثبيط داخل دوائر CA1، مما يسهل النشاط المنسق والاستجابة. تسهم هذه الرؤى في فهم كيفية تأثير المطالب المعرفية على الديناميات العصبية وتبرز الإمكانية لاستخدام مقاييس النقدية كعلامات حيوية للعيوب المعرفية في الحالات التنكسية العصبية. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية آثار هذه النتائج عبر مهام وظروف مختلفة، خاصة في نماذج ضعف الإدراك المزمن.
DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-026-10132-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42045604
Publication Date: 2026-04-27
Author(s): Forough Habibollahi et al.
Primary Topic: Neural dynamics and brain function
Overview
The research investigates the dynamics of hippocampal networks in relation to criticality, particularly in the context of memory encoding and cognitive performance. It posits that dynamical systems, including the brain, can transition between ordered and disordered states, with a “critical state” representing an optimal balance for information processing. This study employs wide-field calcium imaging to monitor the activity of hundreds of CA1 neurons in freely behaving mice during various conditions, including rest, a novel object recognition (NOR) task, and after administration of scopolamine, which impairs spatial memory.
Findings indicate that hippocampal networks display characteristics of a near-critical state during rest, but shift closer to criticality during the NOR task, suggesting enhanced cognitive engagement. Conversely, when memory performance is compromised by scopolamine, the network activity deviates from criticality. These results imply that hippocampal networks adaptively approach criticality under cognitive load, optimizing their dynamical range and information processing capabilities. Furthermore, deviations from this critical state may serve as biomarkers for cognitive impairments associated with neurological conditions.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the complex electrical activity patterns exhibited by neuronal populations, particularly focusing on “neuronal avalanches,” which are spontaneous sequences of neuronal firing. These patterns are analyzed through the lens of criticality, a concept from condensed matter physics that describes a state between order and disorder. The paper highlights that near-critical dynamics may enhance cognitive functions such as learning and memory, although the relationship between cognitive load and criticality remains debated. Some studies suggest that increased cognitive demands maintain the brain in a near-critical state, while others indicate a shift toward subcritical dynamics during cognitive tasks.
The authors emphasize the importance of understanding critical dynamics in the hippocampus, a brain region crucial for memory and spatial navigation, and note that previous studies have primarily relied on macroscopic measurements, which may introduce biases. They present findings from their own experiments using calcium imaging in the mouse hippocampal CA1 area, revealing that engaging in a novel object recognition task drives neuronal dynamics closer to criticality. Conversely, administration of scopolamine, which mimics cognitive impairments seen in Alzheimer’s disease, shifts these dynamics away from the critical point. This research contributes to the understanding of how critical dynamics influence cognitive processes and suggests that the proximity to critical-like behavior can vary based on cognitive load and pharmacological states.
Methods
In this study, the authors employed a novel object recognition (NOR) test to assess long-term recognition memory in mice. The experimental setup involved acclimating the animals in a silent recording room for 30 minutes prior to testing. The NOR task was conducted in a square plastic arena (33 cm × 33 cm × 20 cm), where mice first explored two identical objects during a familiarization phase for 15 minutes. Following a 10-minute inter-session interval, the animals were exposed to one familiar object and a novel object to evaluate recognition memory. The arena and objects were thoroughly cleaned with 80% ethanol to eliminate scent cues before each session.
Recording sessions utilized custom-made miniscope acquisition software at a sampling rate of 30 frames per second, with behavior analysis conducted using TopScan software. After initial NOR experiments, two animals were excluded due to mobility issues, while six remaining animals underwent repeated NOR tests. These animals received saline injections (0.9% NaCl) prior to the first familiarization phase, followed by scopolamine injections (0.6 mg/kg body mass) after a two-week hiatus, maintaining consistent experimental protocols throughout. This methodology allowed for the examination of neuronal activity in the CA1 region during the NOR task, providing insights into the effects of scopolamine on memory recognition.
Results
In this study, eight C57BL/6 mice were utilized to investigate neuronal dynamics in the hippocampus during both free movement and a memory-related task, specifically the Novel Object Recognition (NOR) test. Following the injection of GCaMP6f AAV into the right hippocampal region and the implantation of a gradient index (GRIN) lens, the mice were equipped with a miniscope for data acquisition. The recordings captured activity from an average of 290 CA1 neurons over 15-minute sessions, allowing for the identification of calcium events indicative of neuronal action potentials and the subsequent analysis of neuronal avalanches.
The study employed several metrics to assess the criticality of neuronal activity. The mean avalanche size ($\langle S \rangle$) was analyzed in relation to avalanche duration, leading to the calculation of the Deviation from Criticality Coefficient (DCC), which indicates how closely the system approaches criticality. Additionally, the Branching Ratio (BR) was measured, reflecting the ratio of active units at consecutive time points, with values near 1 suggesting critical dynamics. The Shape Collapse analysis (SC error) further quantified the accuracy of avalanche profiles collapsing to a universal shape, with minimized error indicating criticality. The results aimed to determine whether engagement in a memory task would shift network dynamics toward criticality compared to the resting state observed in the home cage.
Discussion
In this study, the authors investigated the dynamics of hippocampal CA1 neuronal networks in male C57BL/6 mice during cognitive tasks, specifically the Novel Object Recognition (NOR) task, and how these dynamics are affected by scopolamine-induced memory impairment. The results indicated that during the NOR task, neuronal activity shifted closer to a critical state, as evidenced by a decrease in the deviation from criticality coefficient (DCC) and an increase in the branching ratio (BR). In contrast, scopolamine administration led to a significant reduction in cognitive performance and a shift away from criticality, suggesting that optimal cognitive function is associated with near-critical dynamics in the hippocampus.
The study employed advanced calcium imaging techniques to capture neuronal activity, allowing for a detailed analysis of criticality metrics. The findings align with theoretical predictions that critical dynamics enhance information processing and cognitive performance. The authors propose that cognitive engagement modulates the excitation-inhibition balance within CA1 circuits, facilitating coordinated activity and responsiveness. These insights contribute to the understanding of how cognitive demands influence neural dynamics and highlight the potential for using criticality metrics as biomarkers for cognitive impairments in neurodegenerative conditions. Future research should explore the implications of these findings across different tasks and conditions, particularly in models of chronic cognitive impairment.