Ο ανθρώπινος εγκέφαλος θεωρείται συχνά ως το πιο περίπλοκο αντικείμενο στο γνωστό Σύμπαν. Με 89 δισεκατομμύρια νευρώνες, καθένας από τους οποίους σχηματίζει περίπου 7.000 συνδέσεις κατά μέσο όρο, η φυσική δομή του εγκεφάλου μπορεί να ισορροπεί λεπτεπίλεπτα στην κόψη ενός μαχαιριού, σύμφωνα με πρόσφατη έρευνα.
Οι φυσικοί Helen Ansell και István Kovács από το Πανεπιστήμιο Northwestern των ΗΠΑ χρησιμοποίησαν τη στατιστική φυσική για να ρίξουν φως στην πολυπλοκότητα μέσα σε εξαιρετικά λεπτομερείς τρισδιάστατους χάρτες εγκεφάλων, όχι μόνο ανθρώπινων, αλλά και εγκεφάλων ποντικιών και φρουτόμυγων.
Το πλαίσιό τους, σε κυτταρικό επίπεδο, υποδηλώνει ότι το υψηλού επιπέδου υλικό που περικλείεται στο κρανίο μας βρίσκεται σε ένα δομικό γλυκό σημείο, πλησιάζοντας πολύ κοντά σε μια μετάβαση φάσης.
“Ένα καθημερινό παράδειγμα αυτού είναι όταν ο πάγος λιώνει στο νερό. Είναι ακόμα μόρια νερού, αλλά υφίστανται μια μετάβαση από το στερεό στο υγρό. […] Σίγουρα δεν λέμε ότι ο εγκέφαλος είναι κοντά στο λιώσιμο. Στην πραγματικότητα, δεν γνωρίζουμε μεταξύ ποιων δύο φάσεων θα μπορούσε να μεταβαίνει ο εγκέφαλος. Αν βρισκόταν σε οποιαδήποτε πλευρά του κρίσιμου σημείου, δεν θα ήταν εγκέφαλος”, εξηγεί ο Ansell.
Ορισμένοι επιστήμονες έχουν στο παρελθόν υποθέσει ότι οι μεταβάσεις φάσεων είναι σημαντικές στα βιολογικά συστήματα. Για παράδειγμα, η κυτταρική μεμβράνη, μια λιπιδική διπλοστοιβάδα, κυμαίνεται μεταξύ πηκτής και υγρής κατάστασης για να επιτρέπει τη διέλευση πρωτεϊνών και υγρών. Ωστόσο, το κεντρικό νευρικό σύστημα μπορεί να ακροβατεί σε ένα κρίσιμο σημείο μετάβασης χωρίς ποτέ να γίνει πραγματικά κάτι άλλο.
Ένα χαρακτηριστικό αυτού του κρίσιμου σημείου είναι η δομή των νευρώνων που μοιάζει με διακλαδώσεις, γνωστή ως fractal patterns. Τα fractal, που παρατηρούνται σε πολύπλοκα συστήματα όπως οι νιφάδες χιονιού, τα μόρια και οι κατανομές των γαλαξιών, παρουσιάζουν έναν “κρίσιμο εκθέτη” στη φυσική που βρίσκεται στην άκρη του χάους, ισορροπώντας μεταξύ τάξης και αταξίας.
Οι Ansell και Kovács υποστηρίζουν τώρα ότι η παρουσία των fractal σε νανοκλίμακα στις τρισδιάστατες αναπαραστάσεις του εγκεφάλου είναι ενδεικτική αυτής της “κρισιμότητας”. Λόγω περιορισμών στα δεδομένα, μπόρεσαν να αναλύσουν μόνο μια μερική περιοχή του εγκεφάλου από έναν άνθρωπο, ένα ποντίκι και μια μύγα των φρούτων. Παρά το περιορισμένο αυτό πεδίο, βρήκαν ταιριαστά μοτίβα που μοιάζουν με fractal και τα οποία εμφανίζονταν παρόμοια ανεξάρτητα από το επίπεδο ζουμ.
Το σχετικό μέγεθος και η ποικιλομορφία των τμημάτων των νευρώνων φάνηκε να είναι συνεπής σε όλες τις κλίμακες και τα είδη. Τα συστήματα του εγκεφάλου δεν είναι ούτε υπερβολικά οργανωμένα ούτε υπερβολικά τυχαία, επιτυγχάνοντας μια ισορροπία που ελαχιστοποιεί το κόστος της νευρωνικής “καλωδίωσης”, ενώ παράλληλα ικανοποιεί τις απαιτήσεις σύνδεσης σε μεγάλες αποστάσεις.
Αυτό το “φαινόμενο Goldilocks” θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι μια καθολική αρχή που διέπει όλους τους εγκεφάλους των ζώων, προτείνουν οι Ansell και Kovács, αν και η απόδειξη αυτού θα απαιτήσει εκτεταμένη περαιτέρω έρευνα.
Σύνδεσαν ανθρώπινους μικροεγκεφάλους και δημιούργησαν βιοϋπολογιστή χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας
“Αρχικά, αυτές οι δομές φαίνονται αρκετά διαφορετικές – ένας ολόκληρος εγκέφαλος μύγας έχει περίπου το μέγεθος ενός μικρού ανθρώπινου νευρώνα”, λέει ο Ansell. “Αλλά στη συνέχεια βρήκαμε αναδυόμενες ιδιότητες που είναι εκπληκτικά παρόμοιες”.
Χρειάζονται περαιτέρω μελέτες για να διαπιστωθεί αν αυτή η κοινή κρισιμότητα υπάρχει σε όλη την κλίμακα των εγκεφάλων των ζώων και μεταξύ των διαφόρων ειδών. Ενώ προηγούμενες μελέτες έχουν διερευνήσει την κρισιμότητα του εγκεφάλου από την άποψη της δυναμικής των νευρώνων, μόλις πρόσφατα κατέστη δυνατή η ανάλυση και η σύγκριση της δομής των εγκεφάλων των ζώων σε κυτταρικό επίπεδο.
Παρά τους συνεχιζόμενους περιορισμούς των δεδομένων, υπάρχει μια σημαντική προσπάθεια στη νευροεπιστήμη να χαρτογραφηθεί με μεγάλη λεπτομέρεια η ανατομία και οι συνδέσεις του εγκεφάλου. Πρόσφατα, ανακατασκευάστηκε ένα κυβικό χιλιοστό ενός ανθρώπινου εγκεφάλου και δημιουργήθηκε ο πρώτος πλήρης χάρτης του εγκεφάλου μιας φρουτόμυγας, μαζί με έναν κυτταρικό χάρτη του εγκεφάλου ποντικού.
“Το δομικό επίπεδο ήταν ένα κομμάτι που έλειπε για το πώς σκεφτόμαστε την πολυπλοκότητα του εγκεφάλου”, λέει ο Kovács. “Σε αντίθεση με έναν υπολογιστή όπου οποιοδήποτε λογισμικό μπορεί να τρέξει στο ίδιο υλικό, στον εγκέφαλο η δυναμική και το υλικό συνδέονται στενά”.
Ο Ansell πιστεύει ότι τα ευρήματα της ομάδας ανοίγουν το δρόμο για ένα απλό φυσικό μοντέλο που θα περιγράφει τα στατιστικά μοτίβα του εγκεφάλου. Ένα τέτοιο μοντέλο θα μπορούσε μια μέρα να ενισχύσει την έρευνα για τον εγκέφαλο και να βοηθήσει στην εκπαίδευση συστημάτων τεχνητής νοημοσύνης.
Ακολουθήστε το Techmaniacs.gr στο Google News για να διαβάζετε πρώτοι όλα τα τεχνολογικά νέα. Ένας ακόμα τρόπος να μαθαίνετε τα πάντα πρώτοι είναι να προσθέσετε το Techmaniacs.gr στον RSS feeder σας χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο: https://techmaniacs.gr/feed/.
