Нейрони людини застряють між станами фазового переходу, кажуть вчені

Нові дослідження показують, що нейрони нашого мозку можуть існувати не в єдиному стані речовини.

Як докладно описано в дослідженні, опублікованому в журналі Communications Physics, дослідники виявили ознаки того, що ці структури мозку досягають або наближаються до досягнення «критичності», коли нейрони постійно перемикаються між двома різними станами речовини й не можуть бути віднесені до одного з них.

«Структура мозку на клітинному рівні, схоже, знаходиться на стадії фазового переходу», — сказала провідний автор дослідження Хелен Ансел з факультету фізики та астрономії Північно-Західного університету у заяві про роботу. «Звичайний приклад — коли крига тане у воду. Це все ще молекули води, але вони перетерплюють перехід із твердого стану в рідину».

Що є ці два стани, залишається невідомим. Але результати ілюструють складність внутрішніх механізмів нашого мозку і дають можливість пояснити, як наша м'яка, скромна сіра речовина може бути господарем чогось такого ж складного, як свідомість, а також натякають на те, що людський мозок може мати більше спільного з мозком менш складних істот, ніж колись вважалося.

Ключовою деталлю, на думку дослідників, є те, що структури мозку ніколи не фіксуються на якомусь одному стані. «Тому, що, якби вони були по обидва боки від критичної точки», пояснила Ансел, «це не був би мозок»." Судячи з усього, мозок процвітає в цьому вічному підвішеному стані.

Структурою нейронів заведено називати фрактали, які є самоподібними (або «масштабно-інваріантними») формами, які виглядають однаково за будь-якого розміру. Збільште масштаб, і менші структури фракталу будуть практично ідентичні більшим, аж до найнижчого рівня.

Вивчаючи загальнодоступні дані 3D-реконструкцій мозку людини, плодової мухи та миші, дослідники, які застосували підхід статистичної фізики, спостерігали ці повторювані фрактальні візерунки в нейронах, але вони також виявили, що розміри сегментів нейронів суттєво відрізнялися. Вони дійшли висновку, що ця дихотомія упорядкованості та різноманітності є очевидною ознакою наближення речовини до критичної точки.

"Це те, що ми бачимо у всіх критичних системах у фізиці", — сказав у своїй заяві співавтор Іштван Ковач із Northwestern. «Схоже, що мозок перебуває у тендітному балансі між двома фазами».

Не менш переконливим є те, що дослідники виявили ці ознаки критичності в мозку плодових мух і мишей, а не тільки в людському, хоча в них мало спільного.

"Спочатку ці структури виглядають зовсім інакше — цілий мозок мухи приблизно розміром з невеликий людський нейрон", — сказала Ансел. «Але потім ми виявили нові властивості, які на диво схожі».

Це може означати, що критичність є універсальною для всіх типів мозку. Але доки дослідники не зможуть застосувати свій аналіз до більшої кількості реконструкцій мозку, це залишиться — вибачте нам — сірою зоною.

Джерела: Phys.org