Физики: Сложность человеческого мозга приближается к грани хаоса

Человеческий мозг – это Говорят, что это Самое сложное тело в известной Вселенной. это 89 миллиардов нейронов Согласно новому исследованию, каждый из них имеет в среднем около 7000 связей, и физическая структура всех этих объектов может быть опасно сбалансирована на острие ножа.

Физики Северо-Западного университета в США — Хелен Ансель и Иштван Ковач — использовали статистическую физику, чтобы объяснить сложность, наблюдаемую на очень подробной 3D-карте не только части человеческого мозга, но также частей мозга мышей и плодовых мух. Хороший.

На клеточном уровне их структура предполагает, что органы более высокого уровня, заключенные в наших черепах, находятся на структурном уровне, приближающемся к переходной стадии.

«Обычным примером этого является таяние льда в воде. Это все еще молекулы воды, но они переживают переход из твердого состояния в жидкость». Он объясняет Ансель.

«Мы, конечно, не говорим, что мозг вот-вот расплавится. Фактически, у нас нет возможности узнать, между какими двумя фазами может перейти мозг. Потому что, если бы он находился по обе стороны от критической точки, это не было бы случай.» Не мозг».

Некоторые учёные в прошлом ставили под сомнение это Фазовые переходы Он играет важную роль в биологических системах. Хорошим примером является мембрана, окружающая клетки. Этот липидный бислой колеблется между гелевым и жидким состояниями, позволяя белкам и жидкости перемещаться внутрь и наружу.

Напротив, центральная нервная система может колебаться в критической точке перехода, никогда не превращаясь во что-то еще.

Общей чертой этой критической точки является ветвистая структура нейронов, известная как Фрактальные узоры. Фракталы, подобные тем, которые можно увидеть в снежинках, Молекулыили распределение галактик, в основном показано Системный комплекс. по физике, Дробная размерность — это «критический показатель», лежащий на Край хаосаМежду порядком и хаосом.

Анселл и Ковач теперь утверждают, что присутствие наноразмерных фракталов в 3D-реконструкциях мозга является признаком этой «критической важности».

Из-за ограниченности данных дуэту удалось проанализировать только одну часть мозга человека, мыши и плодовой мухи. Однако даже на этом ограниченном изображении команда обнаружила идентичные фрактальные узоры, которые выглядят одинаково независимо от того, увеличивают они или уменьшают масштаб.

Относительный размер и разнообразие различных сегментов нейронов, по-видимому, сохраняются в зависимости от масштаба и вида. Мозговые системы не являются ни слишком организованными, ни слишком случайными, они в порядке, балансируя затраты на нейронную «проводку» с требованиями связи на большие расстояния.

«Эффект Златовласки» может быть универсальным принципом, управляющим мозгом всех животных, говорят Анселл и Ковач, хотя для доказательства этого потребуются дополнительные исследования.

«Поначалу эти структуры выглядят совсем по-другому — весь мозг мухи размером примерно с небольшой человеческий нейрон». Он говорит Ансель. «Но затем мы обнаружили удивительно похожие новые свойства».

Сейчас необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, существует ли эта общая важность во всем диапазоне мозга животных и между различными видами.

Хотя предыдущие исследования анализировали важность мозга, когда дело доходит до… Нейрональная динамикаДо недавнего времени не было возможности проанализировать и сравнить строение мозга животных на клеточном уровне.

Конечно, данные по-прежнему ограничены, но в настоящее время в нейробиологии предпринимаются масштабные усилия по картированию анатомии и связей мозга. Как можно больше деталей.

а Один кубический миллиметр Человеческий мозг недавно был реконструирован, а в прошлом году Мы получили наш первый в жизни Полная карта мозга плодовой мухи, а также… Клеточная карта мозга мыши.

«[The structural level] «Это был недостающий элемент нашего представления о сложности мозга». Он говорит Физик Иштван Ковач из Северо-Западного университета.

«В отличие от компьютера, где любая программа может работать на одном и том же оборудовании, динамика и оборудование тесно связаны в мозгу».

Ансель Он говорит Выводы команды «открывают путь» к простой физической модели, которая может описывать статистические закономерности работы мозга. Однажды этот прорыв можно будет использовать для улучшения исследований мозга и обучения систем искусственного интеллекта.

Исследование было опубликовано в Физика связи.