Communications Physics: мозг людей находится в состоянии фазового перехода
Фото: Bret Kavanaugh / Unsplash
Ученые Северо-Западного университета (штат Иллинойс, США) обнаружили, что структурные особенности мозга находятся вблизи критической точки, аналогичной фазовому переходу в физике. Открытие, о котором рассказывается в журнале Communications Physics, касается не только человеческого мозга, но также мозга мышей и плодовых мух, что указывает на универсальность данного явления.
По словам исследователей, на клеточном уровне мозг демонстрирует характеристики системы, которая переходит из одной фазы в другую, подобно тому как лед превращается в воду. Однако у ученых нет способа узнать, что представляют собой эти фазы, поскольку если бы система находилась по обе стороны от критической точки, то она уже не была бы мозгом.
Были проанализированы общедоступные данные 3D-реконструкций мозга человека, плодовых мушек и мышей с наноразмерным разрешением. Оказалось, что образцы демонстрируют признаки физических свойств, связанных с критичностью. Одним из таких свойств является фрактальная структура нейронов. Фракталы становятся самоподобными при увеличении, то есть меньшие части напоминают весь образец. Размеры наблюдаемых сегментов нейронов также различаются.
Самоподобие, долгосрочные корреляции и широкое распределение по размерам указывают на то, что структура мозга находится в тонком балансе между двумя фазами — не слишком организованной и не слишком случайной. Все изученные образцы мозга имеют одинаковые критические показатели для различных организмов, что может свидетельствовать о существовании универсального принципа.
Критические показатели не являются независимыми, то есть из одного можно вывести все остальные. Это позволяет разработать простые физические модели для фиксации статистических закономерностей работы мозга, которые могут затем быть использованы для создания искусственных нейронных сетей.
