Fisikawan: Kompleksitas otak manusia mendekati ambang kekacauan

Otak manusia adalah Dikatakan demikian Benda paling kompleks di alam semesta yang diketahui. itu 89 miliar neuron Masing-masing entitas memiliki rata-rata sekitar 7.000 koneksi, dan struktur fisik semua entitas tersebut mungkin sangat seimbang, menurut sebuah studi baru.

Fisikawan di Universitas Northwestern di AS – Helen Ansel dan Istvan Kovacs – menggunakan fisika statistik untuk menjelaskan kompleksitas yang terlihat dalam peta 3D yang sangat detail tidak hanya pada sebagian otak manusia, tetapi juga sebagian otak tikus dan lalat buah. Bagus.

Pada tingkat sel, kerangka kerja mereka menunjukkan bahwa organ-organ tingkat tinggi yang terbungkus dalam tengkorak kita berada pada titik struktural yang mendekati tahap transisi.

“Contoh sehari-hari dari hal ini adalah ketika es mencair di dalam air. Mereka masih berupa molekul air, namun sedang melalui transisi dari padat ke cair.” Dia menjelaskan Anel.

“Kami tentu saja tidak mengatakan bahwa otak akan mencair. Faktanya, kami tidak memiliki cara untuk mengetahui di antara dua fase mana otak akan mengalami transisi. Karena jika otak berada di salah satu sisi titik kritis, maka hal tersebut tidak akan terjadi. kasus.” Bukan otaknya.”

Beberapa ulama telah mempertanyakan hal ini di masa lalu Transisi fase Ini memainkan peran penting dalam sistem biologis. Membran yang mengelilingi sel adalah contoh yang bagus. Lapisan ganda lipid ini berfluktuasi antara bentuk gel dan cair untuk memungkinkan protein dan cairan masuk dan keluar.

Sebaliknya, sistem saraf pusat mungkin terombang-ambing pada titik transisi kritis, namun tidak pernah berubah menjadi sesuatu yang lain.

Ciri umum dari titik kritis ini adalah struktur neuron yang menyerupai cabang, yang dikenal sebagai Pola fraktal. Fraktal, seperti yang terlihat pada kepingan salju, Molekulatau sebaran galaksi, muncul di sebagian besar galaksi Sistem yang kompleks. dalam fisika, Dimensi pecahan adalah “eksponen kritis” yang terletak di atasnya Tepi kekacauanAntara keteraturan dan kekacauan.

Ansell dan Kovach sekarang berpendapat bahwa kehadiran fraktal skala nano dalam rekonstruksi otak 3D adalah tanda “kritis” ini.

Karena keterbatasan data, keduanya hanya mampu menganalisis sebagian wilayah otak manusia, tikus, dan lalat buah. Namun, bahkan dengan gambar yang terbatas ini, tim menemukan pola serupa fraktal yang terlihat serupa terlepas dari apakah mereka diperbesar atau diperkecil.

Ukuran relatif dan keragaman segmen saraf yang berbeda tampaknya dipertahankan pada skala dan spesies. Sistem otak tidak terlalu terorganisir atau terlalu acak, semuanya tepat, menyeimbangkan biaya “pengkabelan” saraf dengan tuntutan komunikasi jarak jauh.

“Efek Goldilocks” bisa menjadi prinsip universal yang mengatur semua otak hewan, kata Ansel dan Kovacs, meskipun pembuktian hal ini memerlukan penelitian lebih lanjut.

“Pada awalnya, struktur ini terlihat sangat berbeda – seluruh otak lalat kira-kira seukuran neuron kecil manusia.” Dia berkata Anel. “Tapi kemudian kami menemukan sifat-sifat yang muncul secara mengejutkan serupa.”

Penelitian lebih lanjut sekarang diperlukan untuk menentukan apakah kesamaan kepentingan ini ada di seluruh otak hewan dan di antara spesies yang berbeda.

Meskipun penelitian sebelumnya telah menganalisis pentingnya otak dalam… Dinamika sarafSampai saat ini, analisis dan perbandingan struktur otak hewan pada tingkat sel belum dapat dilakukan.

Tentu saja, masih terdapat keterbatasan data, namun saat ini terdapat upaya skala besar di bidang ilmu saraf untuk memetakan anatomi dan koneksi otak. Sedetail mungkin.

A Satu milimeter kubik Otak manusia baru-baru ini direkonstruksi, dan tahun lalu, Kami mendapatkan yang pertama Peta lengkap otak lalat buah, plus… Peta seluler otak tikus.

“[The structural level] “Itu adalah bagian yang hilang dari cara kita berpikir tentang kompleksitas otak.” Dia berkata Fisikawan Istvan Kovacs dari Northwestern.

“Tidak seperti komputer yang program apa pun dapat dijalankan pada perangkat keras yang sama, dinamika dan perangkat keras saling terkait erat di otak.”

Anel Dia berkata Temuan tim ini “membuka jalan” menuju model fisik sederhana yang dapat menggambarkan pola statistik otak. Suatu hari nanti, terobosan ini dapat digunakan untuk meningkatkan penelitian otak dan melatih sistem kecerdasan buatan.

Studi ini dipublikasikan di Fisika komunikasi.