Luglio 21, 2024

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Fisici: La complessità del cervello umano si sta avvicinando all’orlo del caos

Fisici: La complessità del cervello umano si sta avvicinando all’orlo del caos

Il cervello umano lo è Si dice che sia Il corpo più complesso dell’universo conosciuto. quello 89 miliardi di neuroni Ciascuno di essi ha in media circa 7.000 connessioni e, secondo un nuovo studio, la struttura fisica di tutte queste entità potrebbe essere precariamente in equilibrio sul filo del rasoio.

I fisici della Northwestern University negli Stati Uniti, Helen Ansel e Istvan Kovacs, hanno utilizzato la fisica statistica per spiegare la complessità vista in una mappa 3D altamente dettagliata non solo di parte del cervello umano, ma anche di parte del cervello di topi e moscerini della frutta. Bene.

A livello cellulare, la loro struttura suggerisce che gli organi di livello superiore racchiusi nei nostri crani si trovano a un punto strutturalmente fine, avvicinandosi molto a uno stadio di transizione.

“Un esempio quotidiano di ciò è quando il ghiaccio si scioglie nell’acqua. Sono ancora molecole d’acqua, ma stanno attraversando una transizione da solido a liquido.” Lui spiega Ancel.

“Non stiamo certamente dicendo che il cervello sta per sciogliersi. In effetti, non abbiamo modo di sapere tra quali due fasi il cervello potrebbe passare. Perché se fosse su entrambi i lati del punto critico, non sarebbe il momento giusto.” caso.” Non il cervello.”

Alcuni studiosi lo hanno messo in dubbio in passato Transizioni di fase Svolge un ruolo importante nei sistemi biologici. La membrana che circonda le cellule è un buon esempio. Questo doppio strato lipidico fluttua tra lo stato gel e liquido per consentire alle proteine ​​e al liquido di entrare e uscire.

Al contrario, il sistema nervoso centrale può oscillare in un punto di transizione critico, senza mai trasformarsi in qualcos’altro.

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La caratteristica comune di questo punto critico è la struttura ramificata dei neuroni, nota come Modelli frattali. Frattali, come quelli visti nei fiocchi di neve, Molecoleo la distribuzione delle galassie, è per lo più mostrata Sistemi complessi. nella fisica, La dimensione frazionaria è l'”esponente critico” su cui si trova Il confine del caosTra ordine e caos.

Ansell e Kovach ora sostengono che la presenza di frattali su scala nanometrica nelle ricostruzioni cerebrali 3D è un segno di questa “importanza critica”.

A causa dei dati limitati, i due sono stati in grado di analizzare solo una regione parziale del cervello umano, del topo e del moscerino della frutta. Tuttavia, anche con questa immagine limitata, il team ha trovato identici modelli simili a frattali che sembrano simili indipendentemente dal fatto che vengano ingranditi o rimpiccioliti.

La dimensione relativa e la diversità dei diversi segmenti neuronali sembrano essere conservate attraverso scale e specie. I sistemi cerebrali non sono né troppo organizzati né troppo casuali: funzionano perfettamente, bilanciando i costi del “cablaggio” neurale con le esigenze delle comunicazioni a lunga distanza.

L’“effetto Riccioli d’oro” potrebbe essere un principio universale che governa tutti i cervelli animali, dicono Ansell e Kovacs, anche se dimostrarlo richiederà ulteriori ricerche.

“All’inizio, queste strutture sembrano molto diverse: l’intero cervello della mosca ha all’incirca le dimensioni di un piccolo neurone umano”. Lui dice Ancel. “Ma poi abbiamo trovato proprietà emergenti sorprendentemente simili”.

Sono ora necessari ulteriori studi per determinare se questa importanza comune esiste in tutta la gamma del cervello animale e tra specie diverse.

Mentre studi precedenti hanno analizzato l’importanza del cervello quando si tratta di… Dinamica neuronaleFino a poco tempo fa non era possibile analizzare e confrontare la struttura del cervello degli animali a livello cellulare.

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Naturalmente, ci sono ancora limiti sui dati, ma attualmente sono in corso sforzi su larga scala nel campo delle neuroscienze per mappare l’anatomia e le connessioni del cervello. Il maggior numero di dettagli possibile.

UN Un millimetro cubo Un cervello umano è stato recentemente ricostruito e l’anno scorso Abbiamo ottenuto il nostro primo in assoluto Una mappa completa del cervello del moscerino della frutta, più… Mappa cellulare del cervello del topo.

“[The structural level] “Era un pezzo mancante nel modo in cui pensiamo alla complessità del cervello”. Lui dice Il fisico Istvan Kovacs della Northwestern.

“A differenza di un computer in cui qualsiasi programma può essere eseguito sullo stesso hardware, la dinamica e l’hardware sono strettamente collegati nel cervello.”

Ancel Lui dice Le scoperte del team “aprono la strada” a un semplice modello fisico in grado di descrivere modelli statistici del cervello. Un giorno, questa svolta potrebbe essere utilizzata per migliorare la ricerca sul cervello e addestrare i sistemi di intelligenza artificiale.

Lo studio è stato pubblicato in Fisica delle comunicazioni.