Мозг: нечто большее, чем просто ткань – его работа подчинена законам физики фазовых переходов

Исследователи из Северо-Западного университета сделали интригующее открытие, обнаружив в нейронах компоненты, поведение которых напоминает материалы, переживающие фазовый переход - переход от одного агрегатного состояния вещества к другому, например, от жидкости к газу. Это наблюдение указывает на то, что мозг может находиться в критическом состоянии близком к точке фазового перехода, когда небольшие изменения способны привести систему в принципиально новое состояние.

Однако ученые признают, что на данный момент точная природа этого гипотетического фазового перехода в мозге остается неизвестной. Пока неясно, между какими именно «фазами» или состояниями может переключаться мозг - возможно, речь идет о переходах между разными режимами обработки информации, уровнями сознания или чем-то еще.

«Структура мозга на клеточном уровне выглядит так, как будто она находится на грани фазового перехода», — пояснила Хелен Анселл, ведущий автор исследования. «Пример из повседневной жизни — это таяние льда в воду. Молекулы остаются водяными, но они переходят из твердого состояния в жидкое. Мы, конечно, не утверждаем, что мозг находится на грани плавления. На самом деле, у нас нет способа узнать, между какими двумя фазами может происходить переход. Ведь если бы мозг находился по одну или другую сторону критической точки, он бы не был мозгом».

Для достижения этих выводов Анселл и её коллега Иштван Ковач исследовали общедоступные 3D-изображения мозга людей, мышей и плодовых мух. Анализируя эти изображения на наномасштабе, они обнаружили, что ткань мозга демонстрирует черты универсального масштабирования, известного как критичность — точку, в которой материал либо готов к изменению своего состояния, либо уже находится в процессе этого изменения.

Одним из главных индикаторов, на которых сосредоточились исследователи, были фрактальные узоры, проявляющиеся в клетках мозга на наномасштабе. Фрактальные узоры «самоподобны», что означает, что маленькая часть узора напоминает весь узор целиком. Также исследователи обнаружили разнообразие в размерах нейронов и сегментов нейронов.

«Эти характеристики наблюдаются во всех критических системах в физике», — отметил Ковач. «Похоже, что мозг находится в хрупком равновесии между двумя фазами».

Удивительно, но признаки критичности были обнаружены как в мозгу крыс и плодовых мух, так и в человеческой ткани мозга. Это может указывать на наличие фазовых изменений во всех мозгах, предполагают исследователи.

«Изначально эти структуры выглядят довольно разными — целый мозг мухи примерно размером с один небольшой нейрон человека», — отметила Анселл. «Но затем мы обнаружили появление свойств, которые оказались удивительно похожими».

«Среди множества характеристик, которые сильно различаются между организмами, мы опирались на предложения статистической физики, чтобы проверить, какие меры потенциально универсальны, например, критические показатели. И действительно, эти показатели оказались согласованными среди различных организмов», — добавил Ковач.

Исследователи считают, что их открытия могут помочь переосмыслить статистические модели мозга и, возможно, повлиять на разработку нейронных сетей в компьютерах. Они также планируют продолжить свои исследования и изучить разные организмы, чтобы выяснить, насколько универсально состояние критичности.