Nové poznatky o lidském mozku a jeho organizační struktuře
Studie publikovaná 6. listopadu v časopise Physical Review Letters, nazvaná „Vzájemně závislé exponenciály škálování v lidském mozku“, realizovaná za účasti vědců z Federální univerzity v Pernambuco (UFPE), ukazuje, že lidský mozek v klidovém stavu vykazuje matematické vzory organizace, které přesahují různé úrovně pozorování. Autoři studie, Daniel Castro, Ernesto Raposo a Mauro Copelli z UFPE a Fernando Santos z Amsterdamské univerzity, prokázali, že lidský mozek v klidu není pouze souhrn nezávislých oblastí, ale systém, který se samoorganizuje, a jehož aktivita na různých úrovních je vzájemně provázaná s kognitivními a strukturálními funkcemi.
Tato zjištění nabízejí nové nástroje pro zkoumání neurologických onemocnění, stárnutí a terapeutických intervencí. Využívající časové řady obrazů z funkční magnetické rezonance (fMRI) ve stavu klidu, výzkumníci aplikovali metodu fenoménové renormalizace (technikou inspirovanou statistickou fyzikou) k „redukci“ rozlišení dat (hrubé zhuštění). Z tohoto procesu byly odvozeny tři exponenciály škálování: variabilita časové řady, logaritmus pravděpodobnosti ticha a největší vlastní hodnota kovarianční matice.
Výsledky ukazují, že tyto tři exponenciály se nevyvíjejí nezávisle. Naopak: byly nalezeny analytické lineární vztahy mezi nimi, což naznačuje vnitřní organizaci mozkové aktivity na různých úrovních „zoomu“. Kromě toho tyto exponenciály vykazovaly statisticky významné korelace s klinickými proměnnými (jako objem šedé hmoty) a s chováním, jako je kognitivní výkon. Tento typ organizace připomíná to, co se pozoruje v fyzikálních systémech blízko kritických bodů přechodu, kde různé proměnné podléhají univerzálním zákonům škálování. Studie naznačuje, že mozek může fungovat v analogním stavu mezi řádem a nepořádkem, což mu dodává jak stabilitu, tak flexibilitu.
„Stále nevíme, do jaké míry můžeme tuto analogii posunout: mozek skutečně funguje podobně jako tyto již známé systémy, ale také jsme našli nové jevy, které mohou vyžadovat jiné porozumění. Jeden z argumentů, které podporují tuto hypotézu, je, že mozek v režimu blízkém kritickému dosahuje rovnováhy mezi citlivostí a stabilitou při zpracování a přenosu senzorických podnětů. Teoreticky to optimalizuje způsob, jakým informace cirkulují v mozku, což mu umožňuje vykonávat své funkce efektivněji,“ vysvětlují vědci z UFPE v e-mailovém rozhovoru.
Pro komunitu výzkumníků v neurovědách a aplikované fyzice jsou tato zjištění důležitá z dvou hlavních důvodů: zaprvé otevírají cestu k tomu, aby exponenciály škálování fungovaly jako potenciální biomarkery zdraví mozku nebo existence neurofunkčních změn; za druhé naznačují, že koncepty a metody statistické fyziky by mohly mít rostoucí užitečnost při porozumění komplexnosti mozku.
Podle autorů je tato studie výsledkem kolektivní akce několika vědců. Prof. Mauro Copelli ze skupiny pro systémy a výpočetní neurovědu na katedře fyziky UFPE (DF-UFPE) se po posledních 20 let zabývá touto rozhraním mezi fyzikou a biologií a zkoumá možné podpisy kritických jevů v mozku. „Myšlenka přizpůsobit tento konkrétní nástroj pro neurozobrazování přišla z příležitosti spolupráce s profesorem Fernandem Santosem, který hostil Daniela Castra (tehdy doktoranda Maurovi, který již aplikoval techniku fenoménové renormalizace na data elektrofyziologie) na Nizozemském institutu pro emergentní jevy (DIEP) v Amsterdamu na realizaci projektu. Po návratu se skupina spojila s profesorem Ernestem Raposo, který se podílel na teoretické části práce,“ vysvětlují vědci.
Práce je spojena s dvěma výzkumnými projekty financovanými CNPq: jeden z nich je součástí programu Conhecimento Brasil, který podporuje spolupráci s brazilskými výzkumníky v zahraničí, a druhý je nedávno schválený INCT Computação Neural. Během vědecké návštěvy na DIEP obdržel Daniel Castro stipendium z Amsterdamské univerzity.
Účast UFPE podtrhuje roli brazilského výzkumu v tomto interdisciplinárním poli pro prozkoumání „neviditelné symfonie mysli“ prostřednictvím matematiky, mozkových obrazů a teorie komplexních systémů. A pokud se mozek opravdu zdá fungovat mezi řádem a improvizací, možná není přehnané říci, že se chová jako dobrý free jazz: každá část zní svobodně, ale všechny podléhají neviditelné struktuře interakce. Hudba, která se skládá sama o sobě a kterou věda začíná, krok za krokem, dekódovat na svých úrovních. „Komplexnost mozku nás nutí redefinovat a rozšířit existující koncepty a teorie o tom, jak se kolektivní chování vyvíjí z akcí jednotlivých částí. I když je tato oblasti vědy teprve na začátku, domníváme se, že tato snaha o obecné principy je velmi platná, jak pro aplikace, tak pro krásu porozumění věcem kolem nás,“ říkají vědci z UFPE.
