Когда магнит нагревается, он достигает критической точки, когда он теряет намагниченность. Эта точка высокой сложности, называемая «критичностью», достигается, когда физический объект плавно переходит из одной фазы в другую.

Теперь новое исследование Северо-Западного университета обнаружило, что структурные особенности мозга находятся вблизи аналогичной критической точки — либо на уровне структурного фазового перехода, либо близко к нему. Удивительно, но эти результаты одинаковы для мозга людей, мышей и плодовых мух, что позволяет предположить, что открытие может быть универсальным.

Хотя исследователи не знают, между какими фазами происходит переход структуры мозга, они говорят, что эта новая информация может позволить разработать новые вычислительные модели сложности мозга и возникающих явлений.

Исследование было опубликовано сегодня в журнале Communications Physics.

« Человеческий мозг — одна из самых сложных известных систем, и многие свойства деталей, управляющих его структурой, еще не изучены», — сказал Иштван Ковач из Northwestern, старший автор исследования.

«Несколько других исследователей изучали критичность мозга с точки зрения динамики нейронов. Но мы рассматриваем критичность на структурном уровне, чтобы в конечном итоге понять, как это лежит в основе сложности динамики мозга. В отличие от компьютера, где любое программное обеспечение может работать на одном и том же оборудовании, в мозге динамика и аппаратное обеспечение тесно связаны».

«Структура мозга на клеточном уровне, похоже, находится на стадии фазового перехода», — сказала Хелен Анселл из Northwestern, первый автор статьи. «Обычным примером этого является то, что лед тает в воду. Это все еще молекулы воды, но они претерпевают переход из твердого состояния в жидкость. Мы, конечно, не говорим, что мозг близок к таянию. На самом деле, у нас нет способ узнать, между какими двумя фазами может переходить мозг. Потому что, если бы он находился по обе стороны от критической точки, это не был бы мозг».

Ковач — доцент кафедры физики и астрономии в Вайнбергском колледже искусств и наук Северо-Западного университета. На момент исследования Анселл работал научным сотрудником в своей лаборатории; теперь она является научным сотрудником Тарбаттона в Университете Эмори.

Хотя исследователи уже давно изучают динамику мозга с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ), достижения нейробиологии лишь недавно предоставили массивные наборы данных о клеточной структуре мозга. Эти данные открыли для Ковача и его команды возможности применять методы статистической физики для измерения физической структуры нейронов.

Для нового исследования Ковач и Анселл проанализировали общедоступные данные 3D-реконструкций мозга человека, плодовых мух и мышей. Исследуя мозг с наноразмерным разрешением, исследователи обнаружили, что образцы демонстрируют признаки физических свойств, связанных с критичностью.

Одним из таких свойств является хорошо известная фрактальная структура нейронов. Это нетривиальное фрактальное измерение является примером набора наблюдаемых, называемых «критическими показателями», которые возникают, когда система близка к фазовому переходу.

Клетки мозга расположены в виде фрактальной статистической структуры в разных масштабах. При увеличении фрактальные формы становятся «самоподобными», что означает, что меньшие части образца напоминают весь образец. Размеры различных наблюдаемых сегментов нейронов также различаются, что дает еще одну подсказку. По мнению Ковача, самоподобие, долгосрочные корреляции и широкое распределение по размерам — все это признаки критического состояния, когда признаки не слишком организованы и не слишком случайны. Эти наблюдения приводят к набору критических показателей, которые характеризуют эти структурные особенности.

«Это то, что мы видим во всех критических системах физики», — сказал Ковач. «Похоже, что мозг находится в хрупком балансе между двумя фазами».

Ковач и Анселл были поражены, обнаружив, что все изученные образцы мозга — человека, мышей и плодовых мух — имеют одинаковые критические показатели для разных организмов, то есть они имеют одни и те же количественные характеристики критичности. Базовые, совместимые структуры организмов намекают на то, что здесь может действовать универсальный руководящий принцип. Их новые открытия потенциально могут помочь объяснить, почему мозг разных существ имеет одни и те же фундаментальные принципы.

«Изначально эти структуры выглядят совсем по-другому: мозг мухи размером примерно с небольшой человеческий нейрон», — сказал Анселл. «Но затем мы обнаружили новые свойства, которые удивительно похожи».

«Среди многих характеристик, которые сильно различаются у разных организмов, мы полагались на предложения статистической физики, чтобы проверить, какие меры потенциально универсальны, например, критические показатели. Действительно, они одинаковы для разных организмов», — сказал Ковач.

«Как еще более глубокий признак критичности, полученные критические показатели не являются независимыми — из любых трех мы можем вычислить остальные, как того требует статистическая физика. Это открытие открывает путь к формулированию простых физических моделей для фиксации статистических закономерностей работы мозга. Такие модели являются полезным исходным материалом для динамических моделей мозга и могут стать источником вдохновения для архитектуры искусственных нейронных сетей».

Далее исследователи планируют применить свои методы к новым наборам данных, включая более крупные участки мозга и большее количество организмов. Они стремятся определить, будет ли по-прежнему применяться универсальность.