Группа физиков из Университета Бар-Илан в Израиле под руководством профессора Шломо Хавлина и профессора Реувена Коэна использовала теорию сетей, чтобы справиться с этой сложностью и определить, как структура корковой сети человека может поддерживать сложную интеграцию данных и сознание. деятельность. Серая область коры головного мозга человека, тела нейронных клеток, были сканированы с помощью МРТ и использованы для формирования 1000 узлов в корковой сети.
Белое вещество коры головного мозга человека, пучки нейронов, было сканировано с помощью визуализации DTI, в результате было получено 15000 звеньев или ребер, которые соединяли узлы сети. В конце этого процесса их сеть была приблизительной структурой коры головного мозга человека.
Исследование было недавно опубликовано в New Journal of Physics.
Предыдущие исследования показали, что кора головного мозга человека представляет собой сеть со свойствами небольшого мира, что означает, что в ней есть много локальных структур и некоторые ярлыки от глобальных структур, которые соединяют далекие районы (аналогично разнице между местными автобусами и поездами по пересеченной местности). Кора головного мозга также имеет множество узлов, которые представляют собой узлы с большим количеством связей (например, центральные станции), которые также прочно связаны между собой, что упрощает перемещение между информационными магистралями мозга.
По словам Нира Лахава, ведущего автора исследования: «Чтобы изучить, как структура сети может поддерживать глобальные возникающие явления, такие как сознание, мы применили сетевой анализ, называемый разложением по k-оболочке.
Этот анализ учитывает профиль связности каждого узла, что упрощает обнаружение различных окрестностей связей в корковой сети, которую мы назвали оболочками."Самый связанный район в сети называется ядром сети. Лахав объясняет: «В процессе мы снимаем различные оболочки сети, чтобы получить наиболее взаимосвязанную часть сети, ядро. До сегодняшнего дня ученых интересовало только ядро сети, но мы обнаружили, что эти различные оболочки могут содержать важную информацию о том, как мозг интегрирует информацию с локальных уровней каждого узла во всю глобальную сеть.
Впервые мы можем построить исчерпывающую топологическую модель нашей коры."
Эта топологическая модель показывает, что ядро сети включает 20% всех узлов, а остальные 80% прочно связаны между собой через все различные оболочки. Интересно, что когда мы сравниваем эту топологию с топологией других сетей, таких как Интернет, мы можем увидеть некоторые заметные различия. Например, в топологии сети Интернет почти 25% узлов изолированы, то есть они не подключаются ни к каким другим оболочкам, кроме ядра.
Однако в корковой сети практически нет изолированных узлов. Кажется, что кора головного мозга намного более подключена и эффективна, чем Интернет.
Рассматривая все различные оболочки корковой сети, авторы смогли определить иерархическую структуру сети и, по сути, смоделировать, как информация течет в сети. Структура показала, что оболочки с низкой связностью являются узлами, которые обычно выполняют определенные функции, такие как распознавание лиц.
Оттуда данные передаются в более высокие, более связанные оболочки, которые обеспечивают дополнительную интеграцию данных, и там мы можем видеть области исполнительной сети и рабочей памяти. С помощью этих областей мы можем сосредоточиться, например, на выполнении задачи (рисунок 2, иерархия коры головного мозга человека).
Затем интегрированная информация « перемещается » в наиболее связанный район узлов, ядро, которое охватывает несколько областей коры.
По словам Лахава, «это взаимосвязанный коллектив, который плотно связан с самим собой и может выполнять глобальные функции из-за большого количества глобальных структур, которые широко распространены в мозгу."
Какую глобальную функцию может выполнять ядро?
Авторы предполагают, что ответ — не меньше, чем само сознание.
«Связь между активностью мозга и сознанием до сих пор остается большой загадкой», — говорит Лахав. Основная гипотеза на сегодняшний день заключается в том, что для создания сознательной активности мозг должен интегрировать релевантную информацию из разных областей сети. Согласно этой теории, возглавляемой профессором Джулио Тонони из Университета Висконсина, если уровень интегрированной информации пересекает определенный предел, наступает новое и возникающее состояние, сознание.
Эта модель предполагает, что сознание зависит как от интеграции информации, так и от ее разделения. Грубо говоря, сознание генерируется «центральной» сетевой структурой с высокой способностью к интеграции информации с участием подсетей, которые содержат конкретную и обособленную информацию, но не являются частью центральной структуры. Другими словами, одни части мозга более вовлечены, чем другие, в то, что мы можем назвать сознательным комплексом мозга, но другие связанные части все еще вносят свой вклад, спокойно работая вне сознательного комплекса.
Авторы демонстрируют, как ядро и различные оболочки удовлетворяют всем требованиям этих недавних теорий сознания. Различные оболочки вычисляют и вносят вклад в интеграцию данных, фактически не являясь частью сознательного комплекса, в то время как ядро получает соответствующую информацию из всех других иерархий и объединяет ее в единую функцию, используя свою глобальную взаимосвязанную структуру. Таким образом, ядром может быть этот сознательный комплекс, служащий платформой для возникновения сознания из сетевой активности.
Когда авторы исследовали различные области, составляющие ядро, они обнаружили, что, действительно, эти области ранее были связаны с сознательной деятельностью.
Например, было обнаружено, что структуры внутри средней линии мозга, которые образуют большую часть ядра сети, связаны с потоком сознания, и некоторые исследования, такие как исследование профессора Георга Нортоффа из Университета Оттавы, показали, что эти области вовлечены в создание нашего самосознания.
«Теперь нам нужно использовать этот анализ для всего мозга, а не только для коры головного мозга, чтобы выявить более точную модель иерархии мозга, а затем попытаться понять, какова именно динамика нейронов, которая приводит к такой глобальной интеграции. и, в конечном итоге, сознание ", — говорит Лахав.
"На глубокие вопросы нужен глубокий ответ, который обычно можно найти только в физике. Физика пытается раскрыть основные законы природы, создавая общие математические уравнения, которые могут описать как можно больше природных явлений. Эти математические уравнения раскрывают фундаментальные аспекты реальности.
Если мы действительно хотим понять, что такое сознание и как работает мозг, мы должны разработать математические уравнения нашего мозга и нашего сознательного разума. Мы еще не достигли этого, на самом деле мы довольно далеко от этой цели, но я чувствую, что это должен быть наш «Святой Грааль», и мы уже начали процесс достижения этой цели », — добавляет он.