Команда физиков из университета имени Бар-Илана в Израиле, возглавляемая профессорами Шломо Хавлином и Реувеном Коэном, использовала теорию сетей, чтобы определить, как структура нейронов коры головного мозга может способствовать объединению данных и сознательной активности.
Серые области коры мозга человека, тела нейронов, были просканированы с помощью МРТ и использовались для создания 1 тыс. узлов в корковой сети. Белое вещество, пучки нейронов, было просканировано с помощью диффузионной спектральной томографии — подвида МРТ, измеряющего распространение молекул воды в биологических тканях, который часто используется для построения трехмерных моделей мозга.
С его помощью сформировали 15 тыс. связей, соединявших узлы сети.
В итоге структура сформированной физиками сети получилась приближенной к структуре настоящей коры головного мозга. Результаты исследования они опубликовали в журнале New Journal of Physics.
Предыдущие исследования показали, что кора человеческого мозга — это сеть, похожая на маленький мир. В ней есть множество локальных структур и несколько крупных, связывающих между собой отдаленные области с помощью путей к ним напрямую. В коре находится много взаимосвязанных центров со множеством ответвлений. Это напоминает транспортную систему с местными автобусами, междугородными поездами и пересадочными станциями и позволяет информационным потокам перемещаться по мозгу.
Нир Лахав, ведущий автор исследования, рассказывает: «Чтобы исследовать, как структура сети может способствовать возникновению такого явления, как сознание, мы применили методику сетевого анализа, которая называется k-shell-разложением. Этот метод учитывает профиль подключения каждого узла и облегчает обнаружение соседних связей в корковой сети, которые мы называем оболочками». Область с наибольшим количеством связей называется ядром сети. «В процессе мы избавляемся от различных оболочек сети, чтобы обнаружить область с наибольшим количеством связей, — объясняет Лахав. — До сегодняшнего дня ученых интересовало только ядро сети, но мы обнаружили, что эти оболочки могут содержать важную информацию о том, как мозг объединяет информацию из локальных уровней каждого узла в целую глобальную сеть.
Нам впервые удалось построить исчерпывающую топологическую модель коры головного мозга».
Благодаря топологической модели становится ясно, что в ядре сети содержится 20% всех узлов, а остальные 80% сильно связаны между всеми оболочками. При сравнении этой топологии с топологией других сетей, например интернета, мы можем обнаружить заметные различия. Так, в конфигурации интернета почти 25% узлов изолированы, то есть соединены только с ядром, но не с оболочками. А в структуре коры мозга изолированных узлов практически нет.
Рассматривая различные оболочки сети коры головного мозга, авторы смогли определить иерархическую структуру сети и смоделировать, как информация перемещается внутри сети.
Структура показывает, что оболочки с малым количеством связей являются узлами, которые обычно выполняют специфические функции, например распознавание лиц.
Из них информация передается выше, в оболочки с большим количеством связей, что позволяет объединить эту информацию с другими данными, а дальше в дело вступают исполнительная сеть и рабочая (оперативная) память.
Объединенная информация перемещается к наиболее связанной с оболочками области, ядру, которое охватывает несколько областей коры мозга. Как говорит Лахав, «это совокупность, тесно связанная внутри себя и способная выполнять глобальные функции благодаря огромному количеству глобальных структур, распространенных по всему мозгу».
Какая глобальная функция у ядра? Авторы предполагают, что как минимум образование сознания.
«Связь между активностью мозга и сознанием — все еще огромная тайна», — говорит Лахав. Сегодня основная гипотеза такова: чтобы создать сознательную активность, мозгу необходимо объединить соответствующую информацию из разных областей сети. В соответствии с этой теорией, разработанной профессором Джулио Тонони из Висконсинского университета, если объем объединенной информации превысит определенный лимит, то мозг перейдет в новое состояние — сознание. Эта модель предполагает, что сознание зависит как от объединения, так и от разделения информации. Проще говоря, сознание генерируется «центральной» структурой сети с большой вместительностью для объединения информации при поддержке подсетей, которые содержат специфическую и разделенную информацию, не будучи частью центральной структуры.
Другими словами, одни части мозга вовлечены в формирование сознания в большей степени, чем другие, но и оставшиеся тоже важны.
Авторы демонстрируют, как ядро и различные оболочки удовлетворяют всем требованиям этой теории. Оболочки обрабатывают данные и способствуют их объединению, не будучи при этом частью основной структуры, а ядро принимает соответствующую информацию от всех структур и «собирает» ее в объединенную функцию. Так, ядро может быть «сознательным комплексом», представляя собой платформу для возникновения сознания в ходе активности сети.
Когда авторы обследовали различные области, образующие ядро, то обнаружили, что их действительно ранее связывали с сознательной активностью.
Например, структуры внутри среднего мозга, которые формируют основную часть ядра, в некоторых исследованиях связываются с потоком сознания.
Так, профессор Георг Нортхофф из университета Оттавы предположил, что эти области вовлечены в создание нашего самоощущения.
«Теперь нам нужно использовать этот анализ для целого мозга, а не только для коры, чтобы воссоздать более точную модель иерархии мозга и позже попробовать понять, что именно в динамике нейронов приводит к такому глобальному объединению и в конечном счете к появлению сознания, — говорит Лахав. — На основательные вопросы нужны основательные ответы, которые обычно можно найти только в физике. Физика стремится раскрыть основные законы природы, конструируя глобальные математические уравнения, которые призваны описать как можно больше явлений природы. Эти математические уравнения раскрывают фундаментальные аспекты реальности. Если мы действительно хотим понять, что такое сознание и как работает мозг, мы должны выразить их математически. До этого пока на самом деле далеко, но я чувствую, что это может быть нашим «святым Граалем» и мы уже на пути к нему».
Немного ранее физики уже предпринимали попытку постичь природу сознания. Биохимики и физики из Канады и Франции изучили электрическую активность человеческого мозга в разных состояниях сознания и обнаружили, что бодрствование связано с максимальными значениями того, что они назвали энтропией мозга.
Изучая нейронные связи подопытных, пока они спали или бодрствовали, ученые выяснили, что энтропия в мозгу нарастает, когда те находятся в полном сознании. Состояние бодрствования характеризовалось наибольшим количеством возможных взаимодействий в нейронной сети. Основываясь на этих данных, ученые назвали сознание побочным продуктом действия законов термодинамики.