Physiker: Die Komplexität des menschlichen Gehirns nähert sich dem Rand des Chaos

Das menschliche Gehirn ist Es soll so sein Der komplexeste Körper im bekannten Universum. dass es 89 Milliarden Neuronen Laut einer neuen Studie verfügt jedes über durchschnittlich etwa 7.000 Verbindungen, und die physische Struktur all dieser Einheiten ist möglicherweise auf Messers Schneide.

Die Physiker Helen Ansel und Istvan Kovacs von der Northwestern University in den USA nutzten statistische Physik, um die Komplexität zu erklären, die sich in einer hochdetaillierten 3D-Karte nicht nur eines Teils des menschlichen Gehirns, sondern auch eines Teils des Gehirns von Mäusen und Fruchtfliegen zeigt. Gut.

Auf zellulärer Ebene deutet ihr Gerüst darauf hin, dass sich die in unseren Schädeln eingeschlossenen höheren Organe an einem strukturell feinen Punkt befinden, der sich einem Übergangsstadium nähert.

„Ein alltägliches Beispiel dafür ist, wenn Eis in Wasser schmilzt. Es sind immer noch Wassermoleküle, aber sie durchlaufen einen Übergang von fest zu flüssig.“ Er erklärt Ancel.

„Wir sagen mit Sicherheit nicht, dass das Gehirn kurz vor dem Schmelzen steht. Tatsächlich haben wir keine Möglichkeit zu wissen, zwischen welchen beiden Phasen das Gehirn übergehen könnte. Denn wenn es sich auf der einen oder anderen Seite des kritischen Punkts befände, wäre das nicht der Fall.“ Fall.“ Nicht das Gehirn.“

Einige Wissenschaftler haben dies in der Vergangenheit in Frage gestellt Phasenübergänge Es spielt eine wichtige Rolle in biologischen Systemen. Ein gutes Beispiel ist die Membran, die Zellen umgibt. Diese Lipiddoppelschicht schwankt zwischen einem Gel- und einem flüssigen Zustand, damit Proteine ​​und Flüssigkeit hinein- und herauswandern können.

Im Gegensatz dazu kann das Zentralnervensystem an einem kritischen Übergangspunkt oszillieren, ohne sich jedoch in etwas anderes umzuwandeln.

Das gemeinsame Merkmal dieses kritischen Punktes ist die verzweigte Struktur der Neuronen, bekannt als Fraktale Muster. Fraktale, wie sie in Schneeflocken zu sehen sind, Moleküleoder die Verteilung der Galaxien, erscheint in den meisten von ihnen Komplexe Systeme. in der Physik, Die gebrochene Dimension ist der „kritische Exponent“, auf dem liegt Der Rand des ChaosZwischen Ordnung und Chaos.

Ansell und Kovach argumentieren nun, dass das Vorhandensein nanoskaliger Fraktale in 3D-Gehirnrekonstruktionen ein Zeichen dieser „Kritikalität“ sei.

Aufgrund begrenzter Daten konnte das Duo nur eine Teilregion des Gehirns von Mensch, Maus und Fruchtfliege analysieren. Doch selbst mit diesem begrenzten Bild fand das Team identische fraktalartige Muster, die unabhängig davon, ob sie vergrößert oder verkleinert wurden, ähnlich aussehen.

Die relative Größe und Diversität verschiedener neuronaler Segmente scheint über Skalen und Arten hinweg konserviert zu sein. Weder zu organisiert noch zu zufällig sind Gehirnsysteme, sie sind genau richtig und gleichen die Kosten der neuronalen „Verkabelung“ mit den Anforderungen der Fernkommunikation aus.

Der „Goldlöckchen-Effekt“ könnte ein universelles Prinzip sein, das alle Gehirne von Tieren beherrscht, sagen Ansel und Kovacs, obwohl der Beweis dafür weiterer Forschung bedarf.

„Auf den ersten Blick sehen diese Strukturen ganz anders aus – das gesamte Fliegengehirn hat etwa die Größe eines kleinen menschlichen Neurons.“ sagen Ancel. „Aber dann fanden wir überraschend ähnliche auftauchende Eigenschaften.“

Weitere Studien sind nun erforderlich, um festzustellen, ob diese gemeinsame Bedeutung im gesamten Bereich des tierischen Gehirns und zwischen verschiedenen Arten besteht.

Während frühere Studien die Bedeutung des Gehirns analysiert haben, wenn es darum geht… Neuronale DynamikBis vor Kurzem war es nicht möglich, die Struktur tierischer Gehirne auf zellulärer Ebene zu analysieren und zu vergleichen.

Natürlich gibt es immer noch Einschränkungen bei der Datenlage, aber derzeit gibt es in den Neurowissenschaften umfangreiche Anstrengungen, die Anatomie und Verbindungen des Gehirns abzubilden. So detailliert wie möglich.

A Ein Kubikmillimeter Kürzlich wurde ein menschliches Gehirn rekonstruiert, und letztes Jahr Wir haben unser allererstes bekommen Eine vollständige Karte des Fruchtfliegengehirns, plus… Zellularkarte des Mausgehirns.

„[The structural level] „Es war ein fehlender Teil unserer Denkweise über die Komplexität des Gehirns.“ sagen Physiker Istvan Kovacs aus Northwestern.

„Im Gegensatz zu einem Computer, bei dem jedes Programm auf derselben Hardware laufen kann, sind Dynamik und Hardware im Gehirn eng miteinander verknüpft.“

Ancel sagen Die Ergebnisse des Teams „öffnen“ den Weg zu einem einfachen physikalischen Modell, das statistische Muster des Gehirns beschreiben kann. Eines Tages könnte dieser Durchbruch genutzt werden, um die Hirnforschung zu verbessern und Systeme der künstlichen Intelligenz zu trainieren.

Die Studie wurde veröffentlicht in Kommunikationsphysik.