Home » Ученые обнаружили «хрупкий баланс» в структуре мозга всех видов

Ученые обнаружили «хрупкий баланс» в структуре мозга всех видов

ЭВАНСТОН, Иллинойс — Что происходит в человеческом мозге? Новое исследование показывает, что загадка, по-видимому, одинакова для всех видов, поскольку ученые обнаружили один и тот же «хрупкий баланс» в сознании насекомых, млекопитающих и людей.

Выводы, в двух словах

Физики обнаружили, что структура мозга существует в хрупкой точке равновесия, называемой «критическим состоянием» — подобно тому, как вода может переходить между твердым льдом и жидким состоянием. В этот критический момент мозг демонстрирует очень сложные модели и поведение. Публикация своих работ в журнале Физика связиИсследователи проанализировали структуры клеток головного мозга человека, мышей и даже плодовых мух и обнаружили у всех из них одинаковые признаки критического состояния.

Это означает, что мозг совершенно разных существ разделяет некоторые основные универсальные принципы, управляющие их структурной сложностью. Это все равно, что обнаружить, что очень разные материалы, такие как стекло, пластик и металлы, могут переходить через одну и ту же «жидкую» фазу при нагревании, несмотря на их очевидные различия при более низких температурах. Физики точно не знают, между какими «фазами» может переходить мозг в этот критический момент, но его существование намекает на то, почему мозг может генерировать такие сложные мысли и поведение.

Структурные закономерности, наблюдаемые в этом критическом состоянии, включают фрактальные формы нейронов, которые выглядят одинаково в разных масштабах (самоподобие), коррелированные размеры сегментов нейронов в разных областях и широкое распределение размеров, а не один единый масштаб. Это явные признаки того, что мозг находится в сбалансированном «критическом» состоянии — не слишком упорядоченном, как кристалл, но и не слишком беспорядочном, как газ. Именно нахождение в этой особой точке позволяет мозгу так сложно обрабатывать информацию.

Read more:  Ученые обнаружили неуловимое сверхпроводящее состояние, которое они впервые предсказали в 2017 году.

«Повседневный пример — когда лед тает в воду. Это по-прежнему молекулы воды, но они претерпевают переход из твердого состояния в жидкость. Мы, конечно, не говорим, что мозг близок к плавлению. На самом деле, у нас нет возможности узнать, между какими двумя фазами может переходить мозг. Потому что, если бы он находился по обе стороны от критической точки, это не был бы мозг», — говорит Хелен Анселл из Northwestern, первый автор статьи, в пресс-релизе.

3D-реконструкция избранных нейронов небольшого участка коры головного мозга человека. (Фото: Гарвард/Google)

Методология

Чтобы найти эти универсальные правила мозга, исследователи использовали такие инструменты, как фрактальный анализ, масштабирование конечного размера и передовую статистическую физику. Они случайным образом отобрали данные трехмерной визуализации мозга, рассматривая фрагментарные нейроны в каждом кубическом образце как кластеры на решетке, а затем точно измеряя такие свойства, как размеры, формы и пространственные корреляции в разных масштабах.

Например, размеры фрагментов ячеек подчинялись простому степенному закону распределения с фрактальной картиной самоподобия во всех изученных масштабах. Безошибочные признаки глубоких корреляций также объединяли локальные нейронные клубки и более крупные закономерности. Примечательно, что образцы мозга человека, мыши и плодовой мухи подчинялись этим универсальным законам масштабирования и математическим «исходным кодам».

Полученные результаты

Физик Иштван Ковач и Анселл обнаружили, что все изученные образцы мозга имеют одинаковые критические показатели. Это означает, что все они имеют одни и те же количественные характеристики «критичности» — момента, когда физический объект переходит из одной фазы в следующую. Новые результаты потенциально могут объяснить, почему мозг разных видов разделяет многие из одних и тех же фундаментальных принципов.

«Это то, что мы видим во всех критических системах физики», — говорит физик Иштван Ковач. «Похоже, что мозг находится в хрупком балансе между двумя фазами».

Read more:  Во что поиграть в июле

«Изначально эти структуры выглядят совсем по-другому — мозг мухи размером примерно с небольшой человеческий нейрон», — добавляет Анселл. «Но затем мы обнаружили новые свойства, которые удивительно похожи».

Ограничения исследования

В исследовании анализировались только небольшие объемы размером около одного кубического миллиметра, поэтому остается неизвестным, справедливо ли фрактальное масштабирование в более крупных масштабах мозга. Отсутствие «параметра настройки» также не позволило окончательно подтвердить истинный непрерывный структурный фазовый переход, о котором можно было сделать лишь косвенный вывод.

В то время как нейроны доминировали во фрактальных паттернах в самых крупных масштабах, ограниченные данные о типах клеток не позволяли полностью отделить вклад от других клеток, таких как глия. Может потребоваться более обширное отслеживание нейронов больших объемов нейронов.

Вывод: потенциальная модель архитектуры мозга?

Результаты намекают на глубокий принцип упрощения, лежащий в основе сложности мозга. Подтверждение может привести к созданию генеративных вычислительных моделей, отражающих биологические правила, формирующие схемы мозга – например, наличие семени для выращивания мозгоподобных нейронных деревьев и сетей, следуя простым законам роста.

Обнаруженные универсальные структурные особенности могут также объяснить, почему архитектура одного животного может эффективно моделировать архитектуру другого или как функции возникают из анатомической формы у разных видов — загадки, которые веками беспокоили нейробиологов. Эволюция может сойтись на этих важнейших закономерностях, поскольку они обитают в оптимальном режиме обработки информации и эффективной организации связей.

Редактор StudyFinds Крис Мелор внес свой вклад в подготовку этого отчета.


2024-06-11 14:08:53


1718115588
#Ученые #обнаружили #хрупкий #баланс #структуре #мозга #всех #видов

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.