Físicos: la complejidad del cerebro humano se acerca al borde del caos

El cerebro humano es se dice que es El cuerpo más complejo del universo conocido. que 89 mil millones de neuronas Cada uno tiene alrededor de 7.000 conexiones en promedio, y la estructura física de todas esas entidades puede estar precariamente equilibrada al filo de la navaja, según un nuevo estudio.

Los físicos de la Universidad Northwestern de EE.UU., Helen Ansel e Istvan Kovacs, utilizaron la física estadística para explicar la complejidad observada en un mapa 3D muy detallado no sólo de parte del cerebro humano, sino también de parte del cerebro de ratón y de moscas de la fruta. Bien.

A nivel celular, su estructura sugiere que los órganos de nivel superior encerrados en nuestros cráneos se encuentran en un punto estructuralmente fino que se acerca mucho a una etapa de transición.

«Un ejemplo cotidiano de esto es cuando el hielo se derrite en agua. Todavía son moléculas de agua, pero están pasando por una transición de sólido a líquido». El explica Ancel.

«Ciertamente no estamos diciendo que el cerebro esté a punto de derretirse. De hecho, no tenemos forma de saber entre cuáles dos fases podría pasar el cerebro. Porque si estuviera a cualquier lado del punto crítico, ese no sería el caso.» No el cerebro.»

Algunos estudiosos han cuestionado esto en el pasado. Transiciones de fase Desempeña un papel importante en los sistemas biológicos. La membrana que rodea las células es un buen ejemplo. Esta bicapa lipídica fluctúa entre un estado gel y líquido para permitir que las proteínas y el líquido entren y salgan.

Por el contrario, el sistema nervioso central puede oscilar en un punto de transición crítico, sin convertirse nunca en otra cosa.

La característica común de este punto crítico es la estructura ramificada de las neuronas, conocida como Patrones fractales. Fractales, como los que se ven en los copos de nieve, Moléculaso la distribución de las galaxias, se muestra principalmente Complejo de sistemas. en física, La dimensión fraccionaria es el «exponente crítico» que se encuentra en El borde del caosEntre el orden y el caos.

Ansell y Kovach sostienen ahora que la presencia de fractales a nanoescala en reconstrucciones cerebrales en 3D es una señal de esta «importancia crítica».

Debido a los datos limitados, el dúo solo pudo analizar una región parcial del cerebro humano, del ratón y de la mosca de la fruta. Sin embargo, incluso con esta imagen limitada, el equipo encontró patrones fractales idénticos que se ven similares independientemente de si se acercan o alejan.

El tamaño relativo y la diversidad de diferentes segmentos neuronales parecen conservarse en todas las escalas y especies. Los sistemas cerebrales no son ni demasiado organizados ni demasiado aleatorios; son perfectos, equilibrando los costos del «cableado» neuronal con las demandas de las comunicaciones a larga distancia.

El “efecto Ricitos de Oro” podría ser un principio universal que gobierne todos los cerebros animales, afirman Ansell y Kovacs, aunque demostrarlo requerirá más investigación.

«Al principio, estas estructuras parecen muy diferentes: todo el cerebro de la mosca es aproximadamente del tamaño de una pequeña neurona humana». Él dice Ancel. «Pero luego encontramos propiedades emergentes sorprendentemente similares».

Ahora se necesitan más estudios para determinar si esta importancia común existe en todo el espectro del cerebro animal y entre diferentes especies.

Si bien estudios previos han analizado la importancia del cerebro a la hora de… Dinámica neuronalHasta hace poco no era posible analizar y comparar la estructura del cerebro de los animales a nivel celular.

Por supuesto, todavía existen limitaciones de datos, pero actualmente hay esfuerzos a gran escala en neurociencia para mapear la anatomía y las conexiones del cerebro. Tanto detalle como sea posible.

a Un milímetro cúbico Recientemente se reconstruyó un cerebro humano y el año pasado, Conseguimos nuestro primer Un mapa completo del cerebro de la mosca de la fruta, además… Mapa celular del cerebro del ratón..

«[The structural level] «Era una pieza faltante en nuestra forma de pensar sobre la complejidad del cerebro». Él dice El físico Istvan Kovacs del Noroeste.

«A diferencia de una computadora donde cualquier programa puede ejecutarse en el mismo hardware, la dinámica y el hardware están estrechamente vinculados en el cerebro».

ancel Él dice Los hallazgos del equipo «abren el camino» hacia un modelo físico simple que pueda describir patrones estadísticos del cerebro. Algún día, este avance podría utilizarse para mejorar la investigación del cerebro y entrenar sistemas de inteligencia artificial.

El estudio fue publicado en Física de las comunicaciones.