חוקרים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן גילו שהתכונות המבניות של המוח קרובות לנקודה קריטית הדומה למעבר פאזה, שנצפה במינים שונים כמו בני אדם, עכברים וזבובי פירות. ממצא זה מצביע על כך שעיקרון אוניברסלי עשוי לשלוט במבנה המוח, שיכול לעורר מודלים חישוביים חדשים לחקות את מורכבות המוח.
המוח מפגין ביקורתיות מבנית ליד מעברי פאזה, עקביים לרוחב מִיןשעשוי להנחות את הפיתוח של מודלים חדשים למוח.
כאשר מגנט מחומם, הוא מגיע לנקודה קריטית שבה הוא מאבד מגנטיזציה, המכונה "קריטיות". לנקודה זו של מורכבות גבוהה מגיעים כאשר אובייקט פיזי עובר מעבר פאזה.
לאחרונה, חוקרים מ האוניברסיטה הצפון מערבית גילו שהמאפיינים המבניים של המוח נמצאים ליד נקודה קריטית דומה – או במעבר פאזה מבני או קרוב אליו. תוצאות אלה עקביות בכל מוחות של בני אדם, עכברים וזבובי פירות, מה שמרמז שהממצא עשוי להיות אוניברסלי. אמנם עדיין לא ברור לאילו שלבים עובר מבנה המוח, אך ממצאים אלה עשויים לאפשר עיצובים חדשים למודלים חישוביים של מורכבות המוח.
המחקר שלהם פורסם ב פיזיקת תקשורת.
שחזור תלת-ממדי של נוירונים נבחרים באזור קטן של מערך הנתונים של הקורטקס האנושי. קרדיט: אוניברסיטת הרווארד/גוגל
מבנה המוח ומודלים חישוביים
"המוח האנושי הוא אחת המערכות המורכבות ביותר הידועות, ומאפיינים רבים של הפרטים השולטים במבנה שלו עדיין לא מובנים", אמר הסופר הבכיר איסטבן קובץ', עוזר פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה ב-Northwestern.
"מספר חוקרים אחרים חקרו את קריטיות המוח במונחים של דינמיקה של נוירונים. אבל אנחנו מסתכלים על קריטיות ברמה המבנית כדי להבין בסופו של דבר איך זה עומד בבסיס המורכבות של הדינמיקה המוחית. זה היה חלק חסר לאופן שבו אנו חושבים על מורכבות המוח. שלא כמו במחשב שבו כל תוכנה יכולה לרוץ על אותה חומרה, במוח הדינמיקה והחומרה קשורות מאוד".
שחזור תלת-ממדי של נוירונים נבחרים באזור קטן של מערך הנתונים של הקורטקס האנושי. קרדיט: אוניברסיטת הרווארד/גוגל
"נראה שמבנה המוח ברמה התאית קרוב למעבר פאזה", אמרה הסופרת הראשונה הלן אנסל, עמיתת Tarbutton באוניברסיטת אמורי שהייתה חוקרת פוסט-דוקטורט במעבדה של קובץ' במהלך המחקר. "דוגמה יומיומית לכך היא כאשר קרח נמס למים. זה עדיין מולקולות מים, אבל הן עוברות מעבר ממוצק לנוזל. אנחנו בהחלט לא אומרים שהמוח קרוב להמסה. למעשה, אין לנו דרך לדעת לאילו שני שלבים המוח יכול לעבור. כי אם זה היה משני הצדדים של הנקודה הקריטית, זה לא היה מוח".
יישום פיזיקה סטטיסטית למדעי המוח
למרות שחוקרים חקרו זמן רב את הדינמיקה של המוח באמצעות הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית (fMRI) ואלקטרואנצפלוגרמות (EEG), התקדמות במדעי המוח סיפקו רק לאחרונה מערכי נתונים מסיביים למבנה הסלולרי של המוח. נתונים אלה פתחו אפשרויות עבור Kovács וצוותו ליישם טכניקות פיזיקה סטטיסטית למדידת המבנה הפיזי של נוירונים.
תמונת מצב של נוירונים נבחרים ממערך הנתונים של קליפת המוח האנושי, נצפתה באמצעות פלטפורמת neuroglancer המקוונת. קרדיט: אוניברסיטת הרווארד/גוגל
זיהוי גורמים קריטיים במבנה המוח
Kovács ו-Ansell ניתחו נתונים זמינים לציבור משחזורי מוח תלת מימדיים מבני אדם, זבובי פירות ועכברים. על ידי בדיקת המוח ב ננומטרי ברזולוציה, החוקרים מצאו שהדגימות מציגות סימני היכר של תכונות פיזיקליות הקשורות לביקורתיות.
תכונה אחת כזו היא המבנה הידוע, דמוי פרקטל, של נוירונים. המימד הפרקטלי הלא טריוויאלי הזה הוא דוגמה לקבוצה של נתונים נצפים, הנקראים "מעריכים קריטיים", שמופיעים כאשר מערכת קרובה למעבר פאזה.
תאי מוח מסודרים בדפוס סטטיסטי דמוי פרקטל בקנה מידה שונה. כאשר מתקרבים, הצורות הפרקטליות "דומות לעצמן", כלומר חלקים קטנים יותר של המדגם דומים לכל המדגם. הגדלים של מקטעי נוירונים שונים שנצפו גם הם מגוונים, מה שמספק רמז נוסף. לפי Kovács, דמיון עצמי, מתאמים ארוכי טווח והתפלגות גודל רחבה הם כולם סימנים של מצב קריטי, שבו תכונות לא מאורגנות מדי ולא אקראיות מדי. תצפיות אלו מובילות לקבוצה של מעריכים קריטיים המאפיינים את התכונות המבניות הללו.
"אלה דברים שאנחנו רואים בכל המערכות הקריטיות בפיזיקה", אמר קובץ'. "נראה שהמוח נמצא באיזון עדין בין שני שלבים."
דוגמאות לשחזור נוירון בודד מכל אחד ממערכי הנתונים של זבוב הפירות, העכבר והאדם. קרדיט: אוניברסיטת נורת'ווסטרן
ביקורתיות אוניברסלית על פני מינים
Kovács ו-Ansell נדהמו לגלות שלכל דגימות המוח שנחקרו – מבני אדם, עכברים וזבובי פירות – יש אקספוננטים קריטיים עקביים על פני אורגניזמים, כלומר, הם חולקים את אותן תכונות כמותיות של קריטיות. המבנים התואמים הבסיסיים בין אורגניזמים מרמזים שייתכן שעיקרון שלטוני אוניברסלי פועל. הממצאים החדשים שלהם עשויים לעזור להסביר מדוע מוחות של יצורים שונים חולקים חלק מאותם עקרונות יסוד.
"בתחילה, המבנים האלה נראים אחרת לגמרי – מוח זבוב שלם הוא בערך בגודל של נוירון אנושי קטן", אמר אנסל. "אבל אז מצאנו נכסים מתפתחים הדומים באופן מפתיע."
"בין המאפיינים הרבים ששונים מאוד בין אורגניזמים, הסתמכנו על ההצעות של הפיזיקה הסטטיסטית כדי לבדוק אילו מדדים הם פוטנציאליים אוניברסליים, כמו מעריכים קריטיים. אכן, אלה עקביים בכל אורגניזמים", אמר קובץ'. "כסימן עמוק עוד יותר לקריטיות, המעריכים הקריטיים המתקבלים אינם עצמאיים – מכל שלושה, אנו יכולים לחשב את השאר, כפי שהוכתב על ידי הפיזיקה הסטטיסטית. ממצא זה פותח את הדרך לניסוח מודלים פיזיקליים פשוטים כדי ללכוד דפוסים סטטיסטיים של מבנה המוח. מודלים כאלה הם תשומות שימושיות עבור מודלים מוחיים דינמיים ויכולים להוות השראה עבור ארכיטקטורות רשתות עצביות מלאכותיות."
בהמשך, החוקרים מתכננים ליישם את הטכניקות שלהם על מערכי נתונים חדשים, כולל חלקים גדולים יותר של המוח ועוד אורגניזמים. הם שואפים למצוא אם האוניברסליות עדיין תחול.
מימון: מחקר זה נתמך חלקית באמצעות משאבי החישוב במתקן המחשוב בעל הביצועים הגבוהים של Quest ב-Northwestern.
