Synchronized oscillations in the human brain are closely related to both cognitive functions and pathological brain states, but the underlying mechanisms of them need to be elucidated. In this research, we examined the relationship between feedback connections and synchronization in the brain. At first, we measured synchrony between simulated neural networks consisted of two or ten different neural groups. Two neural groups could generate synchronized oscillations only when there were inter-regional feedback connections. Moreover, feedback relationships in multi-group networks were advantageous to their synchronization. We also investigated synchrony values and underlying feedback relationships between brain areas by analyzing EEG data of a patient with epilepsy. It turned out that the overall phase synchronies in the gamma band were correlated with the number of inter-regional feedback connections. Taken together, we conclude that the feedback connections in the brain might play an important role in synchronized oscillations.
뇌의 동기화는 인지 기능, 병적인 증상과 밀접한 관련이 있으며, 이러한 동기화의 기반 메커니즘 또한 그에 못지 않게 중요하다. 그리고 두 진동자간의 피드백은 동기화 메커니즘의 하나로 대두되고 있다. 본 연구에서는 신경 네트워크 시뮬레이션과 뇌전도 데이터 분석을 통해 뇌 영역간의 피드백과 동기화된 진동 신호 사이의 관련성을 알아보려 했다. 이를 위해, 먼저 뇌 영역을 모사하는 신경 그룹을 모델링하였으며, 이들간에 연결관계를 달리하며 동기화 정도를 측정해보았다. 시뮬레이션 결과, 그룹간의 피드백 구조가 두 그룹의 진동을 동기화시키며, 다수의 신경 그룹 사이에 이러한 피드백 구조가 많이 포함되어 있는 경우에 전체적인 동기화 정도가 향상되는 것으로 나타났다. 또한 간질 환자의 뇌전도 데이터를 분석하여, 뇌파 별로 전체적인 동기화 정도를 측정하고 영역간 네트워크에 포함된 피드백 관계를 식별하였다. 그 결과, 영역간에 형성되는 피드백의 수와 감마파의 동기화 정도 사이에서 높은 상관관계를 찾을 수 있었다. 이러한 결과들은 뇌 영역간의 피드백이 동기화된 진동에 중요한 역할을 한다는 것을 시사하며, 이 연구 결과는 간질처럼 비정상적으로 높은 동기화가 문제가 되는 질병의 원인 회로를 규명할 수 있는 실마리를 제공한다.
