Eine komplexe Struktur, die sich ständig weiterentwickelt und sich zwischen zwei verschiedenen Zuständen befindet. Genau das haben Forscher der Northwestern University im menschlichen Gehirn entdeckt. Sie fanden heraus, dass das Gehirn nahe an einem kritischen Punkt des Phasenübergangs ist, eine Entdeckung, die unser Verständnis von dessen Funktionsweise verändern könnte.
a. Elektronenmikroskopische (EM) Aufnahme eines Bereichs des menschlichen Gehirns.
b. Segmentierungsdaten für das EM-Bild in a. Die Farben zeigen verschiedene Segmente an.
c. EM-Bild eines größeren Bereichs des menschlichen Gehirns mit der Segmentierung von fünf spezifischen Neuronen, die zeigen, wie dieselben Neuronen mehrmals eine gleiche Ebene durchqueren können. Die Kreise heben die kleinen schwer sichtbaren Fragmente hervor. Das schwarze Rechteck oben links zeigt den Bereich an, der in a abgebildet ist.
d. 3D-Netzrekonstruktionen der in c hervorgehobenen fünf Neuronen mit dem größeren Bereich, der in c durch das graue Rechteck angezeigt wird. Die Studie zeigt, dass menschliche Gehirne sowie die von Mäusen und Fruchtfliegen eine ähnliche zelluläre Struktur aufweisen, die sich nahe an einem Phasenübergang befindet. Diese Erkenntnis könnte die Computermodelle des Gehirns verändern. Die Forscher wissen noch nicht genau, zwischen welchen Phasen sich das Gehirn befindet, aber diese neue Information könnte helfen, seine Komplexität besser zu verstehen.
Beim Untersuchen von 3D-Rekonstruktionsdaten des Gehirns fanden die Forscher heraus, dass diese Proben physikalische Eigenschaften aufweisen, die denen von Magneten ähneln, wenn sie erhitzt werden. Zum Beispiel ist die Struktur der Neuronen fraktal: die kleinen Teile ähneln dem Ganzen.
Durch die Anwendung von Physiktechniken maßen die Forscher die Struktur der Neuronen und offenbarten wiederholte Muster und verschiedene Größen, die typische Zeichen eines kritischen Zustands sind. Diese Beobachtungen bieten eine neue Perspektive auf das fragile Gleichgewicht des Gehirns zwischen zwei Phasen.
Die Forscher fanden heraus, dass diese kritischen Eigenschaften bei verschiedenen Spezies gleich sind, was auf ein universelles Prinzip für Hirnstrukturen hindeutet. Dies könnte erklären, warum unterschiedliche Gehirne ähnliche grundlegende Prinzipien teilen und dabei helfen, künstliche neuronale Netzwerke zu modellieren.
Die Forscher planen, noch mehr Daten zu untersuchen, einschließlich größerer Abschnitte des Gehirns von verschiedenen Spezies, um zu sehen, ob diese Entdeckungen bestehen bleiben. Dies könnte helfen, einfache Modelle zu erstellen, um das Gehirn besser zu verstehen und möglicherweise auch neue Technologien zu inspirieren.
Quelle: Communications Physics