物理學(xué)家說(shuō)，人類大腦的復(fù)雜性瀕臨混亂的邊緣

人腦是據(jù)說(shuō)是已知宇宙中最復(fù)雜的物體。其890 億個(gè)神經(jīng)元根據(jù)一項(xiàng)新的研究，每個(gè)實(shí)體平均有大約7,000個(gè)連接，所有這些實(shí)體的物理結(jié)構(gòu)可能在刀刃上不穩(wěn)定地平衡。

美國(guó)西北大學(xué)的兩位物理學(xué)家海倫·安塞爾（Helen Ansell）和伊斯特萬(wàn)·科瓦奇（István Kovács）現(xiàn)在已經(jīng)使用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)來(lái)解釋在一張非常詳細(xì)的3D地圖中看到的復(fù)雜性，該地圖不僅包括人類大腦的一部分，還包括小鼠和果蠅大腦的一部分。

在細(xì)胞水平上，他們的框架表明，包裹在我們頭骨中的高級(jí)硬件正處于接近相變的結(jié)構(gòu)甜蜜點(diǎn)。

“一個(gè)日常的例子是冰融化成水。它仍然是水分子，但它們正在經(jīng)歷從固體到液體的轉(zhuǎn)變。解釋安塞爾。

“我們當(dāng)然不是說(shuō)大腦快要融化了。事實(shí)上，我們沒(méi)有辦法知道大腦可能在哪兩個(gè)階段之間過(guò)渡。因?yàn)槿绻挥谂R界點(diǎn)的兩側(cè)，它就不是大腦了。

過(guò)去，一些科學(xué)家懷疑相變在生物系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞周圍的膜就是一個(gè)很好的例子。這種脂質(zhì)雙層在凝膠和液態(tài)之間波動(dòng)，讓蛋白質(zhì)和液體進(jìn)出。

然而，相比之下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能會(huì)在過(guò)渡的關(guān)鍵點(diǎn)上搖搖欲墜，而實(shí)際上永遠(yuǎn)不會(huì)變成其他東西。

這個(gè)臨界點(diǎn)的一個(gè)共同特征是神經(jīng)元的分支狀結(jié)構(gòu)，稱為分形圖案.分形，就像在雪花中看到的分形一樣，分子，或者星系的分布，涌現(xiàn)出最系統(tǒng)復(fù)雜.在物理學(xué)中，分形維數(shù)是一個(gè)“臨界指數(shù)”，位于混沌邊緣，介于秩序與無(wú)序之間。

安塞爾和科瓦克現(xiàn)在認(rèn)為，3D大腦重建中分形的納米級(jí)存在是這種“臨界性”的標(biāo)志。

由于數(shù)據(jù)限制，兩人只能分析人類、小鼠和果蠅的單個(gè)部分大腦區(qū)域。然而，即使有這張有限的圖片，研究小組也發(fā)現(xiàn)了匹配的類似分形的圖案，無(wú)論它們是放大還是縮小，它們看起來(lái)都很相似。

各種神經(jīng)元節(jié)段的相對(duì)大小及其多樣性似乎在不同尺度和物種之間保持不變。大腦的系統(tǒng)既不太有條理，也不太隨機(jī)，在神經(jīng)“布線”的成本和遠(yuǎn)距離連接的要求之間取得了平衡。

安塞爾和科瓦奇認(rèn)為，這種“金發(fā)姑娘效應(yīng)”很可能是所有動(dòng)物大腦的普遍支配原則，盡管證明這一點(diǎn)需要更多的研究。

“最初，這些結(jié)構(gòu)看起來(lái)完全不同——整個(gè)蒼蠅的大腦大約是一個(gè)小型人類神經(jīng)元的大小，”說(shuō)安塞爾。“但后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的相似的新興屬性。

現(xiàn)在需要進(jìn)一步的研究來(lái)確定這種共同的臨界性是否存在于動(dòng)物大腦的整個(gè)尺度和各種物種之間。

雖然以前的研究已經(jīng)分析了大腦的臨界性神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)，直到最近才有可能在細(xì)胞水平上分析和比較動(dòng)物大腦的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，數(shù)據(jù)局限性仍然存在，但目前神經(jīng)科學(xué)正在大規(guī)模努力繪制大腦的解剖結(jié)構(gòu)和連接圖盡可能詳細(xì).

一個(gè)單立方毫米最近重建了人類的大腦，去年，我們得到了有史以來(lái)的第一個(gè)果蠅大腦的完整地圖，以及小鼠大腦的細(xì)胞圖譜.

“[結(jié)構(gòu)層面]一直是我們?nèi)绾嗡伎即竽X復(fù)雜性的缺失部分，”說(shuō)來(lái)自西北大學(xué)的物理學(xué)家伊斯特萬(wàn)·科瓦奇（István Kovács）。

“與計(jì)算機(jī)不同，在計(jì)算機(jī)中，任何軟件都可以在同一硬件上運(yùn)行，在大腦中，動(dòng)力學(xué)和硬件密切相關(guān)。

安思爾說(shuō)該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)為一個(gè)簡(jiǎn)單的物理模型“開(kāi)辟了道路”，該模型可以描述大腦的統(tǒng)計(jì)模式。有朝一日，這樣的壯舉可以用來(lái)改善大腦研究和訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)。

該研究發(fā)表在通信物理.

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