Таємницю того, як нейрони контролюють мозок, нарешті розкрито

Мозок — це диво ефективності, відшліфоване тисячоліттями еволюції, завдяки чому він може адаптуватися і процвітати у світі, що швидко змінюється. Проте, незважаючи на десятиліття досліджень, таємниця того, як мозок досягає цього, залишається нерозгаданою. Наше нове дослідження, опубліковане в журналі Cell, показує, як нейрони — клітини, що відповідають за ваші дитячі спогади, думки та емоції — координують свою діяльність.

Це схоже на роботу працівника у високопродуктивному бізнесі. Баланс між індивідуальними навичками та командною роботою — ключ до успіху, але як досягти балансу?

Виявляється, секрет мозку напрочуд простий: присвячувати не більше половини (і не менше 40 відсотків) зусиль кожної клітини індивідуальним завданням. Куди ж спрямовувати решту зусиль? На масштабовану командну роботу. І ось що цікаво: ми виявили абсолютно однакову організаційну структуру в мозку п’яти видів тварин — від плодових мушок і нематод до зебр, мишей і мавп.

Ці види походять з різних гілок дерева життя, які розділяє понад мільярд років еволюції, що свідчить про те, що ми, можливо, відкрили фундаментальний принцип оптимізованої обробки інформації. Він також пропонує потужні уроки для будь-якої складної системи сьогодні.

Критично важлива середина

Наше відкриття дає відповідь на давню дискусію про мозок: чи діють нейрони як зіркові гравці (кожен з яких є вузькоспеціалізованим та ефективним), чи вони віддають перевагу командній роботі (забезпечуючи роботу всієї системи, навіть коли деякі елементи дають збої)?

Відповісти на це питання було складно. Донедавна інструменти нейронауки були обмежені записом активності кількох клітин або кількох мільйонів.

Це було б схоже на спробу зрозуміти величезну компанію, опитавши кілька співробітників або отримуючи лише резюме відділу високого рівня. Бракувало критичної середини.

Однак завдяки прогресу в кальцієвій візуалізації ми тепер можемо записувати сигнали від десятків тисяч клітин одночасно. Кальцієва візуалізація — це метод, який дозволяє спостерігати нейронну активність у реальному часі за допомогою флуоресцентних датчиків, які світяться відповідно до рівня кальцію в клітині.

Застосовуючи знання з мого навчання фізики для аналізу великомасштабних наборів даних, ми виявили, що діяльність мозку розгортається відповідно до фрактальної ієрархії. Осередки працюють разом, щоб побудувати більші скоординовані мережі, створюючи організацію, кожен масштаб якої відображає ті, що знаходяться вище та нижче.

Ця структура дала відповідь на дискусію: мозок насправді робить і те, і інше. Він поєднує в собі індивідуальність і командну роботу, і робить це в розумний спосіб. Приблизно половина зусиль йде на «особисту» продуктивність, оскільки нейрони співпрацюють у все більших мережах.

Мозок може швидко адаптуватися до змін

Щоб перевірити, чи має структура мозку унікальні переваги, ми провели обчислювальне моделювання, виявивши, що ця фрактальна ієрархія оптимізує потік інформації через мозок. Це дозволяє мозку робити щось важливе: адаптуватися до змін. Це гарантує, що мозок працює ефективно, виконуючи завдання з мінімальними ресурсами, залишаючись стійким, зберігаючи роботу, навіть коли нейрони дають збій.

Незалежно від того, пересуваєтеся ви по незнайомій місцевості чи реагуєте на раптову загрозу, ваш мозок швидко обробляє та реагує на нову інформацію. Нейрони постійно коригують свою координацію, зберігаючи мозок достатньо стабільним для глибоких роздумів, але досить спритним, щоб реагувати на нові виклики.

Багатомасштабна організація, яку ми знайшли, дозволяє різним стратегіям – або «нейронним кодам» – функціонувати в різних масштабах. Наприклад, ми виявили, що рух рибки даніо залежить від багатьох нейронів, які працюють в унісон. Ця пружна конструкція забезпечує плавне плавання навіть у швидко мінливих умовах.

Навпаки, зір миші адаптується в клітинному масштабі, забезпечуючи точність, необхідну для виділення дрібних деталей зі сцени. Тут, якщо кілька нейронів пропускають ключові фрагменти інформації, все сприйняття може змінитися – як коли оптична ілюзія обманює ваш мозок. Наші висновки показують, що ця фрактальна координація активності нейронів відбувається впродовж величезного еволюційного періоду: від хребетних, чий останній спільний предок жив 450 мільйонів років тому, до безхребетних, що датуються мільярдом років тому.

Це свідчить про те, що мозок еволюціонував, щоб збалансувати ефективність і стійкість, дозволяючи оптимізувати обробку інформації та адаптуватися до нових поведінкових вимог. Еволюційна наполегливість натякає на те, що ми розкрили фундаментальний принцип дизайну.

Фундаментальний принцип?

Це захоплюючі часи, оскільки фізика та нейронаука продовжують взаємодіяти, щоб розкрити універсальні закони мозку, створені протягом еонів природного відбору. Потрібна буде подальша робота, щоб побачити, як ці принципи можуть діяти в людському мозку. Наші висновки також натякають на щось більше: це просте правило індивідуальної зосередженості та масштабованої командної роботи може бути не просто рішенням для мозку. Коли елементи організовані в багаторівневі мережі, ресурси можна ефективно розподіляти, а система стає стійкою до збоїв.

Найкращі компанії працюють так само — коли виникає нова проблема, люди можуть реагувати, не чекаючи вказівок від керівника, що дозволяє їм вирішити проблему, залишаючись підтримкою організації. Це може бути універсальним принципом досягнення стійкості та ефективності складних систем. Здається, легенда баскетболу Майкл Джордан мав рацію, коли сказав: «Ігри виграють таланти, а чемпіонати виграють командна робота та інтелект».