Fizycy: Złożoność ludzkiego mózgu zbliża się do krawędzi chaosu

Ludzki mózg tak Mówi się, że tak Najbardziej złożone ciało w znanym wszechświecie. że to 89 miliardów neuronów Z nowego badania wynika, że ​​każda z nich ma średnio około 7 000 połączeń, a fizyczna struktura wszystkich tych jednostek może być niepewnie balansowana na krawędzi noża.

Fizycy z Northwestern University w USA – Helen Ansel i Istvan Kovacs – wykorzystali fizykę statystyczną do wyjaśnienia złożoności widocznej na bardzo szczegółowej mapie 3D nie tylko części ludzkiego mózgu, ale także części mózgów myszy i muszek owocowych. Dobry.

Na poziomie komórkowym ich struktura sugeruje, że narządy wyższego poziomu zamknięte w naszych czaszkach znajdują się w strukturalnie dobrym punkcie, blisko etapu przejściowego.

„Codziennym przykładem jest topnienie lodu w wodzie. Nadal są to cząsteczki wody, ale przechodzą przejście ze stanu stałego w ciecz”. On tłumaczy Ancel.

„Z pewnością nie twierdzimy, że mózg wkrótce się stopi. Tak naprawdę nie mamy możliwości sprawdzenia, pomiędzy którymi dwiema fazami mózg może przechodzić. Bo gdyby znajdował się po którejkolwiek stronie punktu krytycznego, nie byłoby to możliwe. sprawa.” Nie mózg.”

Niektórzy uczeni kwestionowali to w przeszłości Przejścia fazowe Odgrywa ważną rolę w układach biologicznych. Dobrym przykładem jest błona otaczająca komórki. Ta dwuwarstwa lipidowa zmienia się pomiędzy stanem żelu i cieczy, umożliwiając białkom i cieczy wchodzenie i wychodzenie.

Natomiast centralny układ nerwowy może oscylować w krytycznym punkcie przejściowym, nigdy nie przekształcając się w coś innego.

Wspólną cechą tego punktu krytycznego jest rozgałęziona struktura neuronów, tzw Wzory fraktalne. Fraktale, takie jak te widoczne w płatkach śniegu, Cząsteczkiczyli rozmieszczenie galaktyk, jest najczęściej pokazane Systemy złożone. w fizyce, Wymiar ułamkowy jest „krytycznym wykładnikiem”, na którym się opiera Krawędź chaosuMiędzy porządkiem a chaosem.

Ansell i Kovach argumentują obecnie, że obecność fraktali w nanoskali w trójwymiarowych rekonstrukcjach mózgu jest oznaką tego „krytycznego znaczenia”.

Ze względu na ograniczone dane duet był w stanie przeanalizować tylko jeden częściowy obszar mózgu człowieka, myszy i muszki owocowej. Jednak nawet na tak ograniczonym obrazie zespół znalazł identyczne wzory przypominające fraktale, które wyglądają podobnie niezależnie od tego, czy są powiększone, czy pomniejszone.

Wydaje się, że względny rozmiar i różnorodność różnych segmentów neuronowych są zachowane niezależnie od skali i gatunku. Systemy mózgowe nie są ani zbyt zorganizowane, ani zbyt losowe, są w sam raz, równoważąc koszty „okablowania” neuronowego z wymaganiami komunikacji na duże odległości.

Ansell i Kovacs twierdzą, że „efekt Złotowłosej” może być uniwersalną zasadą rządzącą mózgami wszystkich zwierząt, choć udowodnienie tego będzie wymagało dalszych badań.

„Na początku te struktury wyglądają zupełnie inaczej – cały mózg muchy jest mniej więcej wielkości małego ludzkiego neuronu”. On mówi Ancel. „Ale potem odkryliśmy zaskakująco podobne, pojawiające się właściwości”.

Obecnie potrzebne są dalsze badania, aby ustalić, czy to wspólne znaczenie występuje w całym mózgu zwierząt i pomiędzy różnymi gatunkami.

Podczas gdy poprzednie badania analizowały znaczenie mózgu, jeśli chodzi o… Dynamika neuronalnaDo niedawna nie było możliwości analizy i porównania budowy mózgów zwierząt na poziomie komórkowym.

Oczywiście nadal istnieją ograniczenia w zakresie danych, ale obecnie w neuronauce podejmuje się zakrojone na szeroką skalę wysiłki mające na celu zmapowanie anatomii i połączeń mózgu. Jak najwięcej szczegółów.

A Jeden milimetr sześcienny Niedawno zrekonstruowano ludzki mózg, a w zeszłym roku Mamy nasz pierwszy w życiu Kompletna mapa mózgu muszki owocowej plus… Mapa komórkowa mózgu myszy.

„[The structural level] „To był brakujący element naszego myślenia o złożoności mózgu”. On mówi Fizyk Istvan Kovacs z Northwestern.

„W przeciwieństwie do komputera, na którym dowolny program może działać na tym samym sprzęcie, dynamika i sprzęt są ściśle powiązane w mózgu”.

Ancel On mówi Odkrycia zespołu „otwierają drogę” do prostego modelu fizycznego, który może opisać statystyczne wzorce mózgu. Pewnego dnia to przełomowe rozwiązanie będzie można wykorzystać do udoskonalenia badań nad mózgiem i szkolenia systemów sztucznej inteligencji.

Badanie zostało opublikowane w Fizyka komunikacji.