Считается, что структура нашего мозга "застыла" в хрупком равновесии между одним состоянием и другим (фазовый переход)
Исследователи обнаружили, что мозг находится в критическом состоянии, в котором он близок к фазовому переходу в своей структуре. Это означает, что мозг находится в хрупком равновесии между одним состоянием и другим. Это свойство было обнаружено не только в человеческом мозге, но и в мозге мышей и плодовых мушек, что позволяет предположить, что оно может быть универсальной характеристикой.
В последнее время был достигнут значительный прогресс в картировании анатомических и коннектомных (с упором на нервные связи) структур мозга. В настоящее время доступны полные наноразмерные реконструкции для небольших нервных систем, в частности, для нематоды Caenorhabditis elegans, личинки головастика Ciona intestinalis, червей Platynereis dumerilii и личинки плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Для более крупных мозгов были разработаны частичные отображения, в том числе для мышей и человека.
Однако если динамика мозга уже давно изучается с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ), то его структура только недавно стала по-настоящему изучаться. В отличие от компьютеров, которые могут работать, используя различные материалы, в случае с мозгом динамика и материалы тесно связаны. Другими словами, структура влияет на динамику и наоборот, а пробелы в понимании одного мешают понять другое.
"Человеческий мозг — одна из самых сложных известных систем, и многие свойства деталей, определяющих его структуру, еще не поняты", — объясняет Иштван Ковач в пресс-релизе Северо-Западного университета (США). Чтобы заполнить эти пробелы, Ковач и его коллеги провели количественную оценку некоторых аспектов этой сложности. Они обнаружили, что мозг поддерживается в равновесии в состоянии критичности — точке, в которой материалы претерпевают фазовый переход.
"Мы изучаем критичность на структурном уровне, чтобы в конечном итоге понять, как она лежит в основе сложности динамики мозга. Это недостающий фрагмент в нашем представлении о сложности мозга", — говорит исследователь, ссылаясь на новое исследование, опубликованное в понедельник в журнале .
Универсальная характеристика?
В рамках своего исследования ученые проанализировали данные о трехмерных нанометрических структурах в мозге людей, плодовых мушек и мышей. Они обнаружили фракталоподобные свойства, которые связаны с точкой критичности. Такие структуры возникают, в частности, когда система близка к фазовому переходу. Это происходит, например, когда лед находится в процессе таяния и превращается в жидкость. Это все те же молекулы воды, но они проходят переход из твердого состояния в жидкое.
Однако "мы, конечно, не утверждаем, что мозг вот-вот растает. На самом деле мы не можем знать, через какие фазы может пройти мозг", — объясняет соавтор исследования Хелен Анселл. Действительно, "если бы он находился по обе стороны от критической точки, это был бы не мозг", — добавила она.
Чтобы определить, справедливо ли это условие в разных масштабах, исследователи использовали статистическое моделирование фрактального типа. Уменьшив масштаб наблюдения, они обнаружили, что фракталы были самоподобными, то есть характеристики, наблюдаемые на малом масштабе, можно было перенести на весь образец. В нанометрическом масштабе это самоподобие присутствует на уровне дендритных отростков отдельных нейронов.
По мнению исследователей, самоподобие фракталов также указывает на состояние критичности. "Это то, что мы видим во всех критических системах в физике, [и] кажется, что мозг находится в хрупком равновесии между двумя фазами", — говорит Ковач.
С другой стороны, характеристики критичности присутствуют как в человеческом мозге, так и в мозге мух и мышей. Хотя на первый взгляд они очень отличаются друг от друга с точки зрения структуры, исследователи обнаружили, что эти свойства удивительно похожи для всех образцов. Они пришли к выводу, что это может быть универсальной характеристикой мозга, которая может объяснить, почему мозг большинства животных имеет много общих свойств.
Команда считает, что эти результаты могут помочь улучшить динамическое моделирование мозга в будущем. Они также могут быть использованы для оптимизации разработки нейронных сетей, поддерживающих искусственный интеллект. В качестве следующего шага исследователи планируют распространить свое исследование на более крупные образцы и большее количество организмов, тем самым подтвердив универсальность критичности мозга.