Нейробиологи подтвердили склонность мозга к фазовому переходу

За последнее десятилетие накопилось достаточно данных, указывающих на то, что мозг человека как система напоминает воду, приближающуюся к критической точке фазового перехода. Бразильские ученые нашли новое доказательство этого явления.

Обычно классический фазовый переход происходит только когда температура и давление достигают определенных значений. Самоорганизованная критичность (СОК) возникает спонтанно в результате множества местных взаимодействий между рядом элементов системы, как песчинки в часах. Крупица за крупицей холм растет, пока очередная песчинка не спровоцирует лавину. После этого основание холма расширяется, и система снова приходит к стабильности, чтобы потом опять обрушиться. Эти лавины действуют в соответствии со степенным законом, то есть более мелкие лавины происходят чаще, чем более крупные.

Датский физик Пер Бак развил эти идеи в книге 1996 года «Как работает природа», применив их к землетрясениям, финансовым рынкам, дорожным пробкам, биологической эволюции, галактикам. А также к мозгу.

В 1999 году он привлек интерес нейробиологов, заявив, что вывел фундаментальные принципы работы мозга. Как и груда песчинок, мозг, по гипотезе Бака, может обрушиться в некой критической точке под воздействием электрической активности нейронов. Другими словами, он предположил, что электрическая активность тоже следует степенному закону. И это критическое состояние оптимизирует перенос и обработку информации в мозге, заодно поддерживая стабильность.

Разумеется, аналогия между мозгом и горой песка не полная, но идея Бака имеет смысл, пишет Ars Technica. Мозг — сложная система, которая может адаптироваться к меняющимся условиям и стремится достичь идеального баланса между порядком и хаосом. «Мозг, не обладающий критичностью — это мозг, который выполняет те же самые действия каждую минуту или, если взять другую крайность, настолько хаотичен, что действует абсолютно случайным образом, вне зависимости от обстоятельств, — заявил в 2014 Данте Чьялво, агрентинский нейробиолог. — Это мозг идиота».

Бразильские ученые Антониу Фонтенеле и Мауру Копелли из Федерального университета Пернамбуку задались вопросом: какой именно вид фазового перехода происходит в мозге? В своем исследовании они наблюдали за лабораторными крысами, переходящими из состояния сна в бодрствование, и отмечали лавинообразные процессы.

Данные показали, что имеется переход между несинхронизированными и синхронизированными импульсами, и мозг находится вблизи точки фазового перехода. Лавинообразные процессы также происходят, и они соответствуют степенной зависимости.

Открытие бразильских ученых подтверждает эксперименты, проведенные в прошлом году на мозге рыбок данио, у которых были обнаружены схожие колебания вблизи точки критичности.

Новую теорию работы неокортекса опубликовали в начале года нейробиологи компании Numenta. Вместо того чтобы изучать одну большую модель мира, неокортекс изучает тысячи моделей, работающих параллельно.