Мозъкът е нещо повече от тъкан – функционирането му се подчинява на законите на физиката за фазовия преход

Учените откриха, че мозъкът функционира на ръба на критичността, подобно на материал, готов за фазов преход.

Изследователи от Северозападния университет направиха интригуващо откритие, откривайки компоненти в невроните, чието поведение наподобява материали, които претърпяват фазов преход – преход от едно агрегатно състояние на материята към друго, например от течност към газ. Това наблюдение показва, че мозъкът може да се намира в критично състояние, близко до точката на фазовия преход, когато дори и най-малките промени могат да доведат системата до коренно ново състояние.

Въпреки това учените признават, че в момента точното естество на този хипотетичен фазов преход в мозъка остава неизвестно. Все още не е ясно точно между какви „фази“ или състояния може да превключва мозъкът – може би става въпрос за преходи между различни режими на обработка на информацията, нива на съзнание или нещо друго.

„Структурата на мозъка на клетъчно ниво изглежда така, сякаш е на ръба на фазов преход“, обяснява Хелън Ансел, водещ автор на изследването. „Пример от ежедневието е разтапянето на леда във вода. Молекулите остават същите, но преминават от твърдо в течно състояние. Със сигурност не твърдим, че мозъкът е на ръба на разтопяването. Всъщност нямаме възможност да знаем между кои две фази може да настъпи преходът. В края на краищата, ако мозъкът се намираше от едната или другата страна на критичната точка на пречупване, той нямаше да бъде мозък“.

За да стигнат до тези заключения, Ансел и колегата ѝ Ищван Ковач разглеждат публично достъпни 3D изображения на мозъци на хора, мишки и плодови мушици. Анализирайки тези изображения в наномащаб, те откриват, че мозъчната тъкан проявява характеристиките на универсално мащабиране, известно като критичност – точката, в която материалът е готов да промени състоянието си или вече е в процес на промяна.

Един от основните показатели, върху които се фокусират изследователите, са фракталните модели, които мозъчните клетки показват в наномащаб. Фракталните модели са „самоподобни“, което означава, че малка част от модела наподобява целия модел. Изследователите откриват и разнообразие в размера на невроните и сегментите на невроните.

„Тези характеристики се наблюдават във всички критични системи във физиката“, отбеляза Ковач. „Изглежда, че мозъкът се намира в деликатен баланс между двете фази“.

Изненадващо, признаци на критичност са открити в мозъците на плъховете и плодовите мушици, както и в човешката мозъчна тъкан. Това може да показва наличието на фазови промени във всички мозъци, предполагат изследователите.

„Първоначално тези структури изглеждат съвсем различно – целият мозък на мухата е с размерите на един малък човешки неврон“, отбелязва Ансел. „Но след това открихме появата на характеристики, които се оказаха забележително сходни“.

„Сред многото характеристики, които значително се различават между отделните организми, ние разчитахме на решения от статистическата физика, за да проверим кои мерки са потенциално универсални, като например критичните индекси. И наистина, тези мерки се оказаха съгласувани между различните организми“,

добавя Ковач.

Изследователите смятат, че техните открития могат да помогнат за преосмисляне на статистическите модели на мозъка и евентуално да повлияят на проектирането на невронните мрежи при компютрите. Те също така планират да продължат изследванията си и да проучат различните организми, за да установят доколко универсално е критичното състояние.