Физики обнаружили, что мозг постоянно находится в состоянии фазового перехода

Когда один физический объект достигает состояния, при котором одна его фаза плавно переходит в другую, это называют критическим состоянием или фазовым переходом. Американские ученые обнаружили, что структурные характеристики мозга приближаются к схожим критическим состояниям или уже находятся в переходной фазе. Причем это явление наблюдается и у людей, и у мышей, и у плодовых мушек. Исследователи не знают, о каких фазах идет речь, но полагают, что открытие поможет разработке нейроморфных компьютерных моделей.

Человеческий мозг — одна из самых сложных систем из известных науке, и многие свойства его структуры ученым еще не понятны. В прошлом критические состояния мозга исследовали в основном с точки зрения динамики нейронов. Но ученые из Северо-Западного университета сконцентрировались на изучении критических состояний на структурном уровне. Их цель — понять, как эти состояния поддерживают сложность динамики мозга.

«Структура мозга на клеточном уровне кажется близкой к фазовому переходу, — сказала Хелен Анселл, главный автор статьи. — Бытовой пример — когда лед превращается в воду. Это все еще молекулы воды, но изменившие состояние от твердого в жидкое. Мы не говорим, что мозг находится на пороге таяния. На самом деле, у нас нет возможности узнать, между какими двумя фазами осуществляется переход. Потому что если бы он был с одной из сторон критической точки, он не был бы мозгом».

Ученые проанализировали трехмерные снимки мозга людей, дрозофил и мышей. Изучив их в наномасштабе, они обнаружили, что образцы демонстрируют признаки, свойственные хиральности. Один из них — фрактальная структура нейронов. Это пример так называемой критической экспоненты, которая возникает в системе, близкой к фазовому переходу. Причем это свойство наблюдается во всех организмах, что говорит об универсальности этого управляющего принципа.

Еще более важный признак критического состояния состоит в том, что критические экспоненты не независимы: из любых трех можно рассчитать все остальные, как и диктуют законы статистической физики. Это открытие позволяет сформулировать простые физические модели для получения статистических закономерностей структуры мозга. Такие модели могут стать источников вдохновения для разработки архитектуры компьютера, созданного по образцу человеческого мозга.

В планах ученых — применить свои методы к новым наборам данных, в том числе, к более крупным отделам мозга и к мозгу других организмов. Они хотят понять, найдут ли они и там универсальные свойства клеточной анатомии.

Источник: vk.com

Комментарии: