الدماغ البشري هو يقال أن يكون الجسم الأكثر تعقيدا في الكون المعروف. إنه 89 مليار خلية عصبية ولكل منها حوالي 7000 اتصال في المتوسط، وقد يكون الهيكل المادي لجميع تلك الكيانات متوازنا بشكل غير مستقر على حد السكين، وفقا لدراسة جديدة.
استخدم عالما الفيزياء في جامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة – هيلين أنسيل وإيستفان كوفاكس – الفيزياء الإحصائية لشرح التعقيد الذي شوهد في خريطة ثلاثية الأبعاد مفصلة للغاية ليس فقط لجزء من الدماغ البشري، ولكن أيضًا لجزء من أدمغة الفأر وذبابة الفاكهة. حسنًا.
على المستوى الخلوي، يشير إطارها إلى أن الأجهزة عالية المستوى المغطاة في جماجمنا هي في نقطة هيكلية جيدة تقترب بشكل وثيق من مرحلة انتقالية.
“المثال اليومي على ذلك هو عندما يذوب الجليد في الماء. فهي لا تزال جزيئات ماء، لكنها تمر بمرحلة انتقالية من الحالة الصلبة إلى السائلة.” يشرح أنسيل.
“نحن بالتأكيد لا نقول أن الدماغ على وشك الذوبان. في الواقع، ليس لدينا طريقة لمعرفة المرحلتين اللتين يمكن أن ينتقل بينهما الدماغ. لأنه إذا كان على جانبي النقطة الحرجة، فلن يكون الأمر كذلك.” لا يكون الدماغ.”
وقد شكك بعض العلماء في ذلك في الماضي التحولات المرحلة تلعب دورا هاما في النظم البيولوجية. الغشاء الذي يحيط بالخلايا هو مثال جيد. تتقلب طبقة الدهون الثنائية هذه بين الحالة الهلامية والسائلة للسماح للبروتينات والسائل بالدخول والخروج.
على النقيض من ذلك، قد يتأرجح الجهاز العصبي المركزي عند نقطة انتقالية حرجة، في حين أنه لا يتحول أبدًا إلى شيء آخر.
السمة المشتركة لهذه النقطة الحرجة هي البنية الشبيهة بالفرع للخلايا العصبية، والمعروفة باسم أنماط كسورية. الفركتلات، مثل تلك التي تظهر في رقاقات الثلج، جزيئات، أو توزيع المجرات، تظهر في أكثرها مجمع الأنظمة. في الفيزياء، البعد الكسري هو “الأس الحرج” الذي يقع على حافة الفوضى، بين النظام والفوضى.
يجادل أنسيل وكوفاتش الآن بأن وجود الفركتلات على المستوى النانوي في عمليات إعادة بناء الدماغ ثلاثية الأبعاد هو علامة على هذه “الأهمية الحرجة”.
وبسبب محدودية البيانات، لم يتمكن الثنائي إلا من تحليل منطقة جزئية واحدة فقط من دماغ الإنسان والفأر وذبابة الفاكهة. ومع ذلك، حتى مع هذه الصورة المحدودة، وجد الفريق أنماطًا متطابقة تشبه الفراكتلات تبدو متشابهة بغض النظر عما إذا تم تكبيرها أو تصغيرها.
يبدو أن الحجم النسبي لقطاعات الخلايا العصبية المختلفة وتنوعها يتم الحفاظ عليه عبر المقاييس والأنواع. ليست أنظمة الدماغ منظمة للغاية ولا عشوائية للغاية، فهي صحيحة تمامًا، حيث توازن تكاليف “الأسلاك” العصبية مع متطلبات الاتصالات بعيدة المدى.
يمكن أن يكون “تأثير المعتدل” مبدأ عالميًا يحكم جميع أدمغة الحيوانات، كما يقول أنسيل وكوفاكس، على الرغم من أن إثبات ذلك سيتطلب المزيد من البحث.
“في البداية، تبدو هذه الهياكل مختلفة تمامًا – يبلغ حجم دماغ الذبابة بأكمله تقريبًا حجم خلية عصبية بشرية صغيرة.” يقول أنسيل. “ولكن بعد ذلك وجدنا خصائص ناشئة متشابهة بشكل مدهش.”
هناك حاجة الآن إلى مزيد من الدراسات لتحديد ما إذا كانت هذه الأهمية المشتركة موجودة عبر النطاق الكامل للدماغ الحيواني وبين الأنواع المختلفة.
في حين قامت الدراسات السابقة بتحليل أهمية الدماغ عندما يتعلق الأمر ديناميات الخلايا العصبيةلم يكن من الممكن حتى وقت قريب تحليل ومقارنة بنية أدمغة الحيوانات على المستوى الخلوي.
بطبيعة الحال، لا تزال هناك قيود على البيانات، ولكن هناك حاليًا جهود واسعة النطاق في علم الأعصاب لرسم خريطة للتشريح واتصالات الدماغ. أكبر قدر ممكن من التفاصيل.
أ ملليمتر مكعب واحد تمت إعادة بناء دماغ بشري مؤخرًا، وفي العام الماضي، لقد حصلنا على الأول على الإطلاق خريطة كاملة لدماغ ذبابة الفاكهة، بالإضافة إلى الخريطة الخلوية لدماغ الفأر.
“[The structural level] “لقد كانت قطعة مفقودة لكيفية تفكيرنا في تعقيد الدماغ.” يقول الفيزيائي إستفان كوفاكس من نورث وسترن.
“خلافًا لجهاز الكمبيوتر حيث يمكن لأي برنامج أن يعمل على نفس الجهاز، فإن الديناميكيات والأجهزة ترتبط ارتباطًا وثيقًا في الدماغ.”
أنسيل يقول النتائج التي توصل إليها الفريق “تفتح الطريق” أمام نموذج فيزيائي بسيط يمكنه وصف الأنماط الإحصائية للدماغ. يومًا ما، يمكن استخدام هذا الإنجاز لتحسين أبحاث الدماغ وتدريب أنظمة الذكاء الاصطناعي.
ونشرت الدراسة في فيزياء الاتصالات.
. “محلل حائز على جوائز. محب للموسيقى. منشئ. هواة Twitter. مستكشف ودود. محب للتواصل ودود.”