Человеческий мозг по праву считается самым сложным объектом во Вселенной. Его 89 миллиардов нейронов образуют в среднем 7000 связей каждый, и, согласно новому исследованию, физическая структура этой головоломки может балансировать на грани хаоса.
Два физика из Северо-Западного университета в США, Хелен Энселл и Иштван Ковач, использовали методы статистической физики, чтобы объяснить сложность, обнаруженную в детальных 3D-моделях мозга человека, мыши и плодовой мушки. На клеточном уровне их исследования показывают, что мозг, этот высокоразвитый «компьютер» в нашей голове, находится в структурной «золотой середине», близкой к точке фазового перехода.
«Представьте, как лед превращается в воду. Молекулы те же, но они переходят из твердого состояния в жидкое», — объясняет Энселл. «Мы не утверждаем, что мозг вот-вот расплавится. На самом деле, мы не знаем, между какими двумя фазами он мог бы переходить. Ведь если бы он находился по какую-либо сторону критической точки, это был бы уже не мозг».
Ранее ученые предполагали, что фазовые переходы играют важную роль в биологических системах. Яркий пример — клеточная мембрана. Этот липидный бислой колеблется между гелеобразным и жидким состояниями, пропуская внутрь и наружу белки и жидкости. Центральная же нервная система, напротив, балансирует на острие фазового перехода, никогда не превращаясь во что-то принципиально иное.
Характерной чертой этой критической точки является древовидная структура нейронов, известная как фрактальный узор. Фракталы, подобные тем, что мы видим в снежинках, молекулах или распределении галактик, возникают в самых сложных системах. В физике фрактальная размерность — это «критический показатель», находящийся на грани хаоса, между порядком и беспорядком.
Энселл и Ковач утверждают, что наличие фракталов на наноуровне в 3D-моделях мозга является признаком этой «критичности». Из-за ограниченности данных ученые смогли проанализировать только отдельные области мозга человека, мыши и плодовой мушки. Но даже эта неполная картина показала схожие фрактальные структуры, независимо от масштаба и вида. Относительный размер и разнообразие нейронных сегментов сохраняются на всех уровнях и у всех видов.
Мозг не слишком упорядочен и не слишком хаотичен, он идеально сбалансирован, уравновешивая затраты на «проводку» нейронов с требованиями к созданию связей на большие расстояния. Энселл и Ковач считают, что этот «эффект Златовласки» может быть универсальным принципом организации всех мозгов животных, хотя для доказательства этого требуется гораздо больше исследований.
«Изначально эти структуры выглядят совершенно разными — мозг мухи размером примерно с один нейрон человека», — говорит Энселл. «Но мы обнаружили удивительно похожие свойства».
Дальнейшие исследования должны показать, существует ли эта общая «критичность» в мозге животных на всех уровнях и у разных видов. В то время как в предыдущих работах анализировалась «критичность» динамики нейронов, до недавнего времени не было возможности анализировать и сравнивать структуру мозга животных на клеточном уровне.
Ограничения в данных все еще существуют, но в настоящее время в нейробиологии предпринимаются широкомасштабные усилия по картированию анатомии и связей мозга с максимально возможной детализацией. Недавно был реконструирован один кубический миллиметр человеческого мозга, а в прошлом году мы получили первую в истории полную карту мозга плодовой мушки, а также клеточную карту мозга мыши.
«Структурный уровень был недостающим звеном в нашем понимании сложности мозга», — говорит физик Иштван Ковач. «В отличие от компьютера, где любое программное обеспечение может работать на одном и том же оборудовании, в мозге динамика и «аппаратная часть» тесно связаны».
Энселл говорит, что результаты их команды «открывают путь» к созданию простой физической модели, которая может описать статистические закономерности мозга. Однажды это достижение можно будет использовать для улучшения исследований мозга и обучения систем искусственного интеллекта.
Исследование было опубликовано в журнале Communications Physics.
Читайте также: Ученые соединили 16 миниатюрных “мини-мозгов” из человеческой ткани, чтобы создать “живой компьютер”
