物理学者：人間の脳の複雑さはカオスの瀬戸際に近づいている

人間の脳というのは、 と言われています 既知の宇宙で最も複雑な天体。 そのこと 890億個のニューロン 新しい研究によると、それぞれには平均約 7,000 の接続があり、それらすべてのエンティティの物理的構造は危険な状態でバランスが取れている可能性があります。

米国ノースウェスタン大学の物理学者、ヘレン・アンセルとイシュトヴァン・コヴァックスは、人間の脳の一部だけでなく、マウスやショウジョウバエの脳の一部の非常に詳細な 3D マップに見られる複雑さを統計物理学を使用して説明しました。 良い。

細胞レベルでは、それらの枠組みは、私たちの頭蓋骨に包まれた高次の器官が、構造的に微細な点にあり、過渡期にほぼ近づいていることを示唆しています。

「これの日常的な例は、氷が水に溶けるときです。氷はまだ水分子ですが、固体から液体への変化を経験しています。」 彼は説明する アンセル。

「脳が溶けようとしていると言っているわけではありません。実際、脳がどの 2 つの段階の間で移行するのかを知る方法はありません。なぜなら、脳が臨界点のどちらかの側にあるとしても、それはそうではないからです」場合。” 脳ではありません。」

過去にこれに疑問を呈した学者もいる 相転移 それは生物学的システムにおいて重要な役割を果たします。 細胞を取り囲む膜が良い例です。 この脂質二重層はゲル状態と液体状態の間を変動し、タンパク質と液体の出入りを可能にします。

対照的に、中枢神経系は、他の何かに変わることはなくても、重要な移行点で振動することがあります。

この臨界点の共通の特徴は、ニューロンの枝のような構造であり、 フラクタル パターン。 雪の結晶に見られるようなフラクタル、 分子、または銀河の分布は、ほとんどの銀河に表示されます。 システムコンプレックス。 物理学では、 分数次元は、上にある「臨界指数」です。 混沌の果て秩序と混沌の間。

アンセルとコバックは現在、3D脳再構成におけるナノスケールのフラクタルの存在はこの「臨界性」の兆候であると主張している。

データが限られていたため、二人はヒト、マウス、ショウジョウバエの脳の一部の領域しか分析できませんでした。 しかし、この限られた画像でも、研究チームは、ズームインしてもズームアウトしても同じように見える同一のフラクタル状のパターンを発見しました。

さまざまな神経セグメントの相対的なサイズと多様性は、規模や種を超えて保存されているようです。 脳システムは、組織的すぎず、ランダムすぎず、ちょうどよく、神経の「配線」のコストと長距離通信の需要のバランスを保っています。

アンセル氏とコバックス氏は、「ゴルディロックス効果」はすべての動物の脳を支配する普遍的な原理である可能性があるが、これを証明するにはさらなる研究が必要だと述べている。

「最初は、これらの構造は非常に異なって見えます。ハエの脳全体は、人間の小さなニューロンとほぼ同じサイズです。」 彼は言う。 アンセル。 「しかしその後、驚くほど類似した新興特性を発見しました。」

この共通の重要性が動物の脳の全範囲にわたって、また異なる種間に存在するかどうかを判断するには、さらなる研究が現在必要である。

これまでの研究では、何かをするときの脳の重要性が分析されてきましたが… ニューロンのダイナミクス最近まで、動物の脳の構造を細胞レベルで分析して比較することはできませんでした。

もちろん、まだデータの限界はありますが、現在、神経科学では脳の解剖学的構造と接続をマッピングする大規模な取り組みが行われています。 できるだけ詳しく。

ある 1立方ミリメートル 人間の脳が最近再構築され、昨年、 史上初の結果を獲得しました ショウジョウバエの脳の完全な地図に加えて… マウスの脳の細胞マップ。

」[The structural level] 「これは、脳の複雑さについての私たちの考え方に欠けていた部分でした。」 彼は言う。 北西部の物理学者イシュトヴァン・コバチ。

「同じハードウェア上であらゆるプログラムを実行できるコンピューターとは異なり、ダイナミクスとハードウェアは脳内で密接に関連しています。」

アンセル 彼は言う。 研究チームの発見は、脳の統計的パターンを説明できる単純な物理モデルへの「道を開く」ものである。 いつか、この画期的な進歩は、脳研究を改善し、人工知能システムを訓練するために使用される可能性があります。

この研究は、 通信物理学。