Мозг – чудо эффективности, отточенное тысячелетиями эволюции, позволяющее ему адаптироваться и процветать в быстро меняющемся мире. Однако, несмотря на десятилетия исследований, загадка того, как мозг этого достигает, оставалась неразгаданной.
Наше новое исследование, опубликованное в журнале Cell, раскрывает, как нейроны – клетки, ответственные за ваши детские воспоминания, мысли и эмоции – координируют свою деятельность.
Представьте себя сотрудником высокоэффективной компании. Ключ к успеху – баланс между индивидуальными навыками и командной работой. Но как достичь этого баланса?
Оказывается, секрет мозга удивительно прост: посвящать не более половины (и не менее 40 процентов) усилий каждой клетки индивидуальным задачам.
Куда же уходят остальные усилия? На масштабируемую командную работу.
И вот самое интересное: мы обнаружили точно такую же организационную структуру в мозге пяти различных видов – от плодовых мушек и нематод до рыбок данио, мышей и обезьян.
Эти виды происходят из разных ветвей древа жизни, разделенных более чем миллиардом лет эволюции. Это говорит о том, что мы, возможно, обнаружили фундаментальный принцип оптимизированной обработки информации. Это открытие также предлагает ценные уроки для любой сложной системы.
Золотая середина
Наше открытие затрагивает давний спор о мозге: действуют ли нейроны как звездные игроки (каждый высокоспециализированный и эффективный) или они отдают приоритет командной работе (обеспечивая работу всей системы даже при сбое некоторых элементов)?
Ответить на этот вопрос было сложно. До недавнего времени инструменты нейробиологии были ограничены либо записью активности нескольких клеток, либо нескольких миллионов.
Это как пытаться понять огромную компанию, опросив лишь горстку сотрудников или получив только общие отчеты отделов. Критически важная «золотая середина» отсутствовала.
Однако благодаря достижениям в области кальциевой визуализации мы теперь можем одновременно записывать сигналы от десятков тысяч клеток. Кальциевая визуализация – это метод, позволяющий наблюдать нейронную активность в режиме реального времени с помощью флуоресцентных сенсоров, которые светятся в зависимости от уровня кальция в клетке.
Применяя знания, полученные во время изучения физики для анализа больших массивов данных, мы обнаружили, что активность мозга разворачивается согласно фрактальной иерархии.
Клетки работают вместе, чтобы строить более крупные, скоординированные сети, создавая организацию, в которой каждый уровень отражает уровни выше и ниже.
Эта структура дала ответ на спорный вопрос: мозг на самом деле делает и то, и другое.
Он балансирует между индивидуальностью и командной работой, и делает это умно. Примерно половина усилий уходит на «личную» производительность, поскольку нейроны взаимодействуют внутри все более крупных сетей.
Мозг быстро адаптируется к изменениям
Чтобы проверить, есть ли у структуры мозга уникальные преимущества, мы провели компьютерное моделирование, которое показало, что фрактальная иерархия оптимизирует поток информации по всему мозгу.
Это позволяет мозгу делать нечто крайне важное: адаптироваться к изменениям. Что обеспечивает эффективную работу мозга, выполнение задач с минимальными ресурсами, сохраняя при этом устойчивость, поддерживая функции даже при сбоях нейронов.
Независимо от того, ориентируетесь ли вы на незнакомой местности или реагируете на внезапную угрозу, ваш мозг быстро обрабатывает и реагирует на новую информацию. Нейроны постоянно корректируют свою координацию, поддерживая мозг достаточно стабильным для глубоких размышлений и достаточно гибким, чтобы реагировать на новые вызовы.
Обнаруженная нами многомасштабная организация позволяет различным стратегиям – или «нейронным кодам» – функционировать на разных уровнях.
Например, мы обнаружили, что движение рыбок данио основано на согласованной работе множества нейронов. Такая устойчивая конструкция обеспечивает, так сказать, плавное плавание даже в быстро меняющихся условиях.
Напротив, зрение мыши адаптируется на клеточном уровне, обеспечивая точность, необходимую для извлечения мельчайших деталей из сцены. В этом случае, если несколько нейронов пропускают ключевые фрагменты информации, все восприятие может измениться – как при оптической иллюзии, обманывающей ваш мозг.
Наши результаты показывают, что эта фрактальная координация нейронной активности происходит в огромном эволюционном диапазоне: от позвоночных, чей последний общий предок жил 450 миллионов лет назад, до беспозвоночных, существовавших миллиард лет назад.
Это говорит о том, что мозг эволюционировал, чтобы сбалансировать эффективность и устойчивость, обеспечивая оптимизированную обработку информации и адаптацию к новым поведенческим требованиям. Такая эволюционная устойчивость намекает на то, что мы обнаружили фундаментальный принцип проектирования.
Фундаментальный принцип?
Мы живем в захватывающее время, когда физика и нейробиология продолжают взаимодействовать, чтобы раскрыть универсальные законы мозга, созданные за долгие и долгие эпохи естественного отбора. Будущие исследования покажут, как эти принципы могут проявляться в человеческом мозге.
Наши открытия также намекают на нечто большее: это простое правило индивидуальной сосредоточенности и масштабируемой командной работы может быть решением не только для мозга.
Когда элементы организованы в многоуровневые сети, ресурсы могут быть распределены эффективно, и система становится устойчивой к сбоям.
Лучшие компании работают по такому же принципу – когда возникает новый вызов, сотрудники могут реагировать, не дожидаясь инструкций от своего руководителя, что позволяет им решать проблему, продолжая получать поддержку от организации.
Возможно, это универсальный принцип достижения устойчивости и эффективности в сложных системах. Похоже, легенда баскетбола Майкл Джордан был прав, когда сказал: «Талант выигрывает игры, а командная работа и интеллект – чемпионаты».
Брэндон Роберт Манн, научный сотрудник, докторант Сиднейского университета.
Читайте также: Нейронаука показывает, что скорочтение – это полная чушь
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.