物理學家說，人類大腦的復雜性瀕臨混亂的邊緣

人腦是據(jù)說是已知宇宙中最復雜的物體。其890 億個神經(jīng)元根據(jù)一項新的研究，每個實體平均有大約7,000個連接，所有這些實體的物理結(jié)構(gòu)可能在刀刃上不穩(wěn)定地平衡。

美國西北大學的兩位物理學家海倫·安塞爾（Helen Ansell）和伊斯特萬·科瓦奇（István Kovács）現(xiàn)在已經(jīng)使用統(tǒng)計物理學來解釋在一張非常詳細的3D地圖中看到的復雜性，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。

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

“一個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。

“我們當然不是說大腦快要融化了。事實上，我們沒有辦法知道大腦可能在哪兩個階段之間過渡。因為如果它位于臨界點的兩側(cè)，它就不是大腦了。

過去，一些科學家懷疑相變在生物系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。細胞周圍的膜就是一個很好的例子。這種脂質(zhì)雙層在凝膠和液態(tài)之間波動，讓蛋白質(zhì)和液體進出。

然而，相比之下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能會在過渡的關(guān)鍵點上搖搖欲墜，而實際上永遠不會變成其他東西。

這個臨界點的一個共同特征是神經(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)復雜.在物理學中，分形維數(shù)是一個“臨界指數(shù)”，位于混沌邊緣，介于秩序與無序之間。

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

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，無論它們是放大還是縮小，它們看起來都很相似。

各種神經(jīng)元節(jié)段的相對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，在神經(jīng)“布線”的成本和遠距離連接的要求之間取得了平衡。

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

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

現(xiàn)在需要進一步的研究來確定這種共同的臨界性是否存在于動物大腦的整個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)元動力學，直到最近才有可能在細胞水平上分析和比較動物大腦的結(jié)構(gòu)。

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

一個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的第一個果蠅大腦的完整地圖，以及小鼠大腦的細胞圖譜.

“[結(jié)構(gòu)層面]一直是我們?nèi)绾嗡伎即竽X復雜性的缺失部分，”說來自西北大學的物理學家伊斯特萬·科瓦奇（István Kovács）。

“與計算機不同，在計算機中，任何軟件都可以在同一硬件上運行，在大腦中，動力學和硬件密切相關(guān)。

安思爾說該團隊的發(fā)現(xiàn)為一個簡單的物理模型“開辟了道路”，該模型可以描述大腦的統(tǒng)計模式。有朝一日，這樣的壯舉可以用來改善大腦研究和訓練人工智能系統(tǒng)。

該研究發(fā)表在通信物理.

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