Ткань мозга находится на грани фазового перехода, говорится в новом исследовании

Основываясь на фрактальных закономерностях в нейронах, исследователи полагают, что наш мозг существует в состоянии, называемом «критичностью», или близком к нему, когда он очень близок к переходу из одного состояния материи в другое. Они также признают, что не знают, что это за состояния.

Новые исследования показывают, что структура мозга может быть совсем неоднозначной. Ученые Северо-Западного университета определили компоненты нейронов, которые соответствуют материалам, претерпевающим фазовый сдвиг – переход из одного состояния вещества, например жидкости, в другое, например газ.

«Структура мозга на клеточном уровне, по-видимому, находится на стадии фазового перехода», — сказала Хелен Анселл из Northwestern, первый автор статьи об открытии. «Обычным примером этого является то, что лед тает и превращается 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 способа 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».

Чтобы прийти к выводам, изложенным в статье, которая была опубликована в журнале Scientific Reports, исследователи изучили общедоступные трехмерные изображения мозга людей, мышей и плодовых мух. Глядя на эти изображения в наномасштабе, они обнаружили, что ткань мозга демонстрирует черты универсального масштабирования, известного как критичность — точки, в которой материал либо собирается, либо уже претерпевает переход из одного состояния материи в другое.

Одним из главных индикаторов этого состояния, на котором сосредоточили внимание исследователи, является тот факт, что клетки мозга на наноуровне демонстрируют фрактальные паттерны, которые «самоподобны». Это означает, что небольшая часть узора напоминает весь узор. Исследователи также обнаружили широкое распределение размеров нейронов и разнообразие в различных сегментах нейронов.

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

Удивительно, но признаки критичности были обнаружены не только в мозговой ткани человека, но и в мозге крыс и плодовых мух. По мнению исследователей, это может указывать на какое-то фазовое изменение качества всего мозга.

«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».

Исследователи говорят, что их результаты могут помочь изменить статистические модели мозга и, возможно, способствовать развитию нейронных сетей в компьютерах. Они также говорят, что продолжат свои исследования и изучат различные организмы, чтобы увидеть, применимо ли состояние критичности более универсально.