物理学家说,人类大脑的复杂性濒临混乱的边缘

人脑是据说是已知宇宙中最复杂的物体。890 亿个神经元根据一项新的研究,每个实体平均有大约7,000个连接,所有这些实体的物理结构可能在刀刃上不稳定地平衡。

美国西北大学的两位物理学家海伦·安塞尔(Helen Ansell)和伊斯特万·科瓦奇(István Kovács)现在已经使用统计物理学来解释在一张非常详细的3D地图中看到的复杂性,该地图不仅包括人类大脑的一部分,还包括小鼠和果蝇大脑的一部分。

在细胞水平上,他们的框架表明,包裹在我们头骨中的高级硬件正处于接近相变的结构甜蜜点。

“一个日常的例子是冰融化成水。它仍然是水分子,但它们正在经历从固体到液体的转变。解释安塞尔。

“我们当然不是说大脑快要融化了。事实上,我们没有办法知道大脑可能在哪两个阶段之间过渡。因为如果它位于临界点的两侧,它就不是大脑了。

过去,一些科学家怀疑相变在生物系统中发挥重要作用。细胞周围的膜就是一个很好的例子。这种脂质双层在凝胶和液态之间波动,让蛋白质和液体进出。

然而,相比之下,中枢神经系统可能会在过渡的关键点上摇摇欲坠,而实际上永远不会变成其他东西。

这个临界点的一个共同特征是神经元的分支状结构,称为分形图案.分形,就像在雪花中看到的分形一样,分子,或者星系的分布,涌现出最系统复杂.在物理学中,分形维数是一个“临界指数”,位于混沌边缘,介于秩序与无序之间。

安塞尔和科瓦克现在认为,3D大脑重建中分形的纳米级存在是这种“临界性”的标志。

由于数据限制,两人只能分析人类、小鼠和果蝇的单个部分大脑区域。然而,即使有这张有限的图片,研究小组也发现了匹配的类似分形的图案,无论它们是放大还是缩小,它们看起来都很相似。

各种神经元节段的相对大小及其多样性似乎在不同尺度和物种之间保持不变。大脑的系统既不太有条理,也不太随机,在神经“布线”的成本和远距离连接的要求之间取得了平衡。

安塞尔和科瓦奇认为,这种“金发姑娘效应”很可能是所有动物大脑的普遍支配原则,尽管证明这一点需要更多的研究。

“最初,这些结构看起来完全不同——整个苍蝇的大脑大约是一个小型人类神经元的大小,”安塞尔。“但后来我们发现了令人惊讶的相似的新兴属性。

现在需要进一步的研究来确定这种共同的临界性是否存在于动物大脑的整个尺度和各种物种之间。

虽然以前的研究已经分析了大脑的临界性神经元动力学,直到最近才有可能在细胞水平上分析和比较动物大脑的结构。

当然,数据局限性仍然存在,但目前神经科学正在大规模努力绘制大脑的解剖结构和连接图尽可能详细.

一个单立方毫米最近重建了人类的大脑,去年,我们得到了有史以来的第一个果蝇大脑的完整地图,以及小鼠大脑的细胞图谱.

“[结构层面]一直是我们如何思考大脑复杂性的缺失部分,”来自西北大学的物理学家伊斯特万·科瓦奇(István Kovács)。

“与计算机不同,在计算机中,任何软件都可以在同一硬件上运行,在大脑中,动力学和硬件密切相关。

安思尔该团队的发现为一个简单的物理模型“开辟了道路”,该模型可以描述大脑的统计模式。有朝一日,这样的壮举可以用来改善大脑研究和训练人工智能系统。

该研究发表在通信物理.

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