Универсальная структура мозга: открытие фракталоподобной организации

В мире нейронауки наметился новый прорыв: ученым удалось заглянуть в самые глубины мозга и реконструировать его структуру на клеточном уровне.

Представьте себе карту, на которой отмечена каждая клетка мозга, каждая связь между нейронами. Это уже не фантастика, а реальность, пусть пока и неполная. Ученые уже создали детальные карты небольших нервных систем, таких как у червя C. elegans или личинки дрозофилы. А для более сложных мозгов, например, человека и мыши, существуют частичные реконструкции.

Но как проанализировать эти огромные массивы данных? Ведь даже карта небольшого участка мозга может занимать петабайты памяти!

Ученые из Северо-Западного университета (США) предложили использовать для анализа мозга инструменты статистической физики.

Они предположили, что на микроскопическом уровне клеточная структура мозга подчиняется законам критичности, явления, хорошо известного в физике. Критичность — это особое состояние системы, находящейся на грани хаоса и порядка.

Представьте себе кастрюлю с водой, которую мы медленно нагреваем. До определенной температуры вода ведет себя «спокойно», но стоит ей достичь точки кипения, как в ней начинается бурный процесс парообразования. Это и есть фазовый переход, а точка кипения — критическая точка.

Вблизи критической точки система приобретает удивительные свойства:

• Фрактальность: структура системы становится самоподобной на разных масштабах, как ветви дерева или снежинки.

• Долгосрочные корреляции: далекие друг от друга части системы начинают «чувствовать» друг друга.

Именно эти свойства и обнаружили ученые, анализируя карты мозга человека, мыши и дрозофилы.

Оказалось, что распределение фрагментов клеток в пространстве мозга, а также корреляции между ними, очень похожи на то, что наблюдается в физических системах вблизи критической точки.

Это открытие имеет огромные последствия для нашего понимания работы мозга.

• Во-первых, оно указывает на то, что мозг — это не просто набор нейронов, а сложная самоорганизующаяся система.

• Во-вторых, критичность может быть ключом к пониманию того, как мозг достигает оптимального баланса между эффективностью и пластичностью.

• В-третьих, обнаружение универсальных законов, управляющих структурой мозга у разных видов, открывает новые возможности для создания универсальных моделей мозга, которые могут быть использованы для изучения самых разных аспектов его работы.

Конечно, это только первые шаги на пути к пониманию того, как устроена и работает самая сложная система во Вселенной.

Но кто знает, возможно, именно «критическая» природа мозга и делает нас теми, кто мы есть: способными к мышлению, творчеству и сознанию.

Если мозг человека, мыши и мухи подчиняется одним и тем же законам, то в чем же наше отличие? Неужели сложность нашего сознания — это лишь вопрос количества нейронов?

Критичность — это свойство структуры, а не функции. То, что мозг разных видов организован по схожим принципам, не означает, что они работают одинаково. Аналогия: компьютер и смартфон собраны из одинаковых компонентов (транзисторы, конденсаторы и т. д.), но выполняют разные задачи. Так же и с мозгом: количество нейронов — это важно, но не менее важны связи между ними, а также принципы их организации и взаимодействия.

Можно ли «взломать» мозг, используя знания о его строении? Например, создать устройство, которое будет управлять нашим поведением или стирать неприятные воспоминания?

Пока это находится в области научной фантастики. Мозг — невероятно сложная система, и мы только начинаем понимать, как она работает. Даже если мы научимся создавать «критические» модели мозга, это не даст нам полного контроля над ним.

А что насчет искусственного интеллекта? Могут ли «критические» модели помочь нам создать ИИ, который будет обладать сознанием?

Некоторые ученые полагают, что критичность — это необходимое, но не достаточное условие для возникновения сознания. Другими словами, для создания ИИ, который будет мыслить как человек, нам нужно не только скопировать структуру мозга, но и понять, как именно в этой структуре возникает сознание.