Smadzeņu struktūras tuvu fāzes pārejai starp sugām | Huepaintco

Neuroscience News logo for mobile.

Kopsavilkums: Jauni pētījumi atklāj, ka smadzeņu struktūras cilvēkiem, pelēm un augļu mušiņām ir tuvu fāzes pārejai, kas liecina par universālu principu. Pētījumā konstatēts, ka smadzeņu šūnās ir fraktāļu modeļi, kas liecina par kritiskumu.

Šis atklājums varētu uzlabot smadzeņu sarežģītības skaitļošanas modeļus. Rezultāti izceļ jaunu dimensiju smadzeņu dinamikas un struktūras izpratnē.

Atslēgas fakti:

  1. Cilvēku, peļu un augļu mušu smadzeņu struktūras liecina par kritiku.
  2. Fraktāliem līdzīgi modeļi smadzeņu šūnās liecina par fāzes pārejas stāvokli.
  3. Pētījuma atklājumi var uzlabot smadzeņu sarežģītības modeļus.

Avots: Ziemeļrietumu universitāte

Kad magnēts tiek uzkarsēts, tas sasniedz kritisko punktu, kur tas zaudē magnetizāciju. Šis augstas sarežģītības punkts, ko sauc par “kritiskums”, tiek sasniegts, kad fiziskais objekts vienmērīgi pāriet no vienas fāzes uz nākamo.

Tagad jauns Ziemeļrietumu universitātes pētījums ir atklājis, ka smadzeņu strukturālās iezīmes atrodas tuvu līdzīgam kritiskajam punktam – vai nu strukturālās fāzes pārejā, vai tuvu tai. Pārsteidzoši, šie rezultāti ir konsekventi cilvēku, peļu un augļu mušu smadzenēs, kas liecina, ka atradums var būt universāls.

Pārbaudot smadzenes ar nanomēroga izšķirtspēju, pētnieki atklāja, ka paraugiem bija fizikālo īpašību īpašības, kas saistītas ar kritiskumu. Kredīts: Neuroscience News

Lai gan pētnieki nezina, starp kurām smadzeņu struktūras fāzēm pārslēdzas, viņi saka, ka šī jaunā informācija var dot iespēju izstrādāt jaunus smadzeņu sarežģītības un jaunu parādību skaitļošanas modeļus.

Pētījums tika publicēts šodien (10. jūnijā) Nature Portfolio publicētajā žurnālā Communications Physics.

“Cilvēka smadzenes ir viena no vissarežģītākajām zināmajām sistēmām, un daudzas detaļu īpašības, kas kontrolē tās struktūru, vēl nav izprastas,” sacīja pētījuma vecākais autors István Kovāčs no Northwestern.

“Vairāki citi pētnieki ir pētījuši smadzeņu kritiskumu saistībā ar neironu dinamiku. Taču mēs skatāmies uz kritiskumu strukturālā līmenī, lai galu galā saprastu, kā tas ir smadzeņu dinamikas sarežģītības pamatā.

“Tas ir pazudis tam, kā mēs domājam par smadzeņu sarežģītību. Atšķirībā no datora, kur jebkura programmatūra var darboties ar vienu un to pašu aparatūru, smadzeņu dinamika un aparatūra ir cieši saistītas.”

“Šķiet, ka smadzeņu struktūra šūnu līmenī ir tuvu fāzes pārejai,” sacīja pētījuma pirmā autore Helēna Ansela no Northwestern.

“Ikdienas piemērs tam ir, kad ledus kūst ūdenī. Tās joprojām ir ūdens molekulas, taču tajās notiek pāreja no cietas uz šķidrumu.

“Mēs noteikti nesakām, ka smadzenes ir tuvu kušanai. Patiesībā mēs nevaram zināt, starp kurām divām fāzēm smadzenes varētu pārslēgties. Jo, ja tas būtu abās kritiskā punkta pusēs, tās nebūtu smadzenes.

Kovács ir fizikas un astronomijas docents Ziemeļrietumu Veinbergas Mākslas un zinātņu koledžā. Pētījuma laikā Ansels bija pēcdoktorantūras pētnieks savā laboratorijā; tagad viņa ir Tarbutton stipendiāte Emory universitātē.

Lai gan pētnieki jau sen ir pētījuši smadzeņu dinamiku, izmantojot funkcionālo magnētiskās rezonanses attēlveidošanu (fMRI) un elektroencefalogrammas (EEG), neiroloģijas sasniegumi tikai nesen ir nodrošinājuši milzīgas smadzeņu šūnu struktūras datu kopas.

Šie dati pavēra Kovāčam un viņa komandai iespējas izmantot statistiskās fizikas metodes, lai izmērītu neironu fizisko struktūru.

Jaunajā pētījumā Kovács un Ansels analizēja publiski pieejamos datus no 3D smadzeņu rekonstrukcijām no cilvēkiem, augļu mušām un pelēm. Pārbaudot smadzenes ar nanomēroga izšķirtspēju, pētnieki atklāja, ka paraugiem bija fizikālo īpašību īpašības, kas saistītas ar kritiskumu.

Viena no šādām īpašībām ir labi zināmā fraktāliem līdzīgā neironu struktūra. Šī netriviālā fraktāļu dimensija ir novērojumu kopas piemērs, ko sauc par “kritiskajiem eksponentiem”, kas rodas, kad sistēma ir tuvu fāzes pārejai.

Smadzeņu šūnas dažādos mērogos ir sakārtotas fraktāļiem līdzīgā statistiskā paraugā. Tuvinot, fraktāļu formas ir “pašlīdzīgas”, kas nozīmē, ka mazākas parauga daļas izskatās līdzīgas visam paraugam. Arī dažādu novēroto neironu segmentu izmēri ir atšķirīgi, sniedzot vēl vienu pavedienu.

Pēc Kovács domām, pašlīdzība, liela diapazona korelācijas un plaši lieluma sadalījumi ir kritiskā stāvokļa paraksti, kur funkcijas nav ne pārāk organizētas, ne pārāk nejaušas. Šie novērojumi noved pie kritisku eksponentu kopuma, kas raksturo šīs strukturālās iezīmes.

“Tās ir lietas, ko mēs redzam visās fizikas kritiskajās sistēmās,” sacīja Kovčs. “Šķiet, ka smadzenes atrodas smalkā līdzsvarā starp divām fāzēm.”

Kovács un Ansels bija pārsteigti, atklājot, ka visiem viņu pētītajiem smadzeņu paraugiem — no cilvēkiem, pelēm un augļu mušām — ir konsekventi kritiskie eksponenti visos organismos, kas nozīmē, ka tiem ir vienādas kvantitatīvās īpašības.

Pamatā esošās saderīgās struktūras starp organismiem liecina, ka var būt spēkā universāls vadības princips. Viņu jaunie atklājumi varētu palīdzēt izskaidrot, kāpēc dažādu radību smadzenēm ir daži no tiem pašiem pamatprincipiem.

“Sākumā šīs struktūras izskatās diezgan atšķirīgas – visas mušu smadzenes ir apmēram neliela cilvēka neirona lielumā,” sacīja Ansels. “Bet tad mēs atradām jaunus īpašumus, kas ir pārsteidzoši līdzīgi.”

“Starp daudzajām īpašībām, kas dažādos organismos ir ļoti atšķirīgas, mēs paļāvāmies uz statistikas fizikas ieteikumiem, lai pārbaudītu, kuri mēri ir potenciāli universāli, piemēram, kritiskie eksponenti. Faktiski tie ir konsekventi visos organismos,” sacīja Kovčs.

“Kā vēl dziļāka kritiskuma zīme iegūtie kritiskie eksponenti nav neatkarīgi – no jebkuriem trim mēs varam aprēķināt atlikušo daļu, kā to nosaka statistiskā fizika.

“Šis atklājums paver iespēju formulēt vienkāršus fiziskus modeļus, lai uztvertu smadzeņu struktūras statistiskos modeļus. Šādi modeļi ir noderīgi dinamisko smadzeņu modeļu ievades dati un var būt iedvesmojoši mākslīgo neironu tīklu arhitektūrām.”

Pēc tam pētnieki plāno izmantot savas metodes jaunām datu kopām, tostarp lielākām smadzeņu daļām un vairāk organismu. Viņu mērķis ir noskaidrot, vai universālums joprojām būs spēkā.

Pētījums “Smadzeņu šūnu anatomijas universālo aspektu atklāšana” daļēji tika atbalstīts, izmantojot skaitļošanas resursus Quest High Performance Computing Facility Ziemeļrietumos.

Par šo neirozinātnes pētījumu jaunumu

Autors: Amanda Morisa
Avots: Ziemeļrietumu universitāte
Kontaktpersona: Amanda Morisa – Ziemeļrietumu universitāte
Attēls: Attēls pievienots Neuroscience News

Sākotnējais pētījums: Atvērta piekļuve.
Smadzeņu šūnu anatomijas universālo aspektu atšķetināšana” autors: István Kovács et al. Komunikācijas fizika


Abstrakts

Smadzeņu šūnu anatomijas universālo aspektu atšķetināšana

Nesenās smadzeņu tilpuma rekonstrukcijas šūnu līmenī ir atklājušas augstu anatomiskās sarežģītības līmeni. Liels izaicinājums joprojām ir noteikt, uz kuriem smadzeņu strukturālajiem aspektiem koncentrēties, jo īpaši salīdzinot ar skaitļošanas modeļiem un citiem organismiem.

Šeit mēs kvantitatīvi novērtējam šīs sarežģītības aspektus un parādām pierādījumus tam, ka smadzeņu anatomija atbilst universālajiem mērogošanas likumiem, izveidojot strukturālās kritiskuma koncepciju smadzeņu šūnu struktūrā.

Mūsu sistēma balstās uz kritisko sistēmu izpratni, lai sniegtu skaidrus norādījumus par šūnu smadzeņu anatomijas informatīvo strukturālo iezīmju atlasi.

Kā ilustrāciju mēs iegūstam kritisko eksponentu aprēķinus cilvēku, peļu un augļu mušu smadzenēs un parādām, ka tie ir konsekventi starp organismiem, ciktāl to pieļauj datu ierobežojumi.

Šādi universāli daudzumi ir izturīgi pret daudzām atsevišķu smadzeņu šūnu struktūru mikroskopiskām detaļām, nodrošinot svarīgu soli ceļā uz smadzeņu šūnu struktūras ģeneratīviem skaitļošanas modeļiem un arī precizējot nozīmi, kādā dzīvnieks var būt piemērots anatomiskais modelis citam.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *