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.
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.
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.
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.
