Λειτουργούν οι εγκέφαλοι σε σημείο καμπής; Νέες ενδείξεις και επιπλοκές
Μια ομάδα Βραζιλιάνων φυσικών που αναλύουν τους εγκεφάλους αρουραίων και άλλων ζώων βρήκε τις ισχυρότερες ενδείξεις ότι ο εγκέφαλος ισορροπεί στο χείλος μεταξύ δύο τρόπων λειτουργίας, σε μια επισφαλή αλλά ευέλικτη κατάσταση γνωστή ως κρισιμότητα. Ταυτόχρονα, τα ευρήματα αμφισβητούν ορισμένες από τις αρχικές υποθέσεις αυτής της αμφιλεγόμενης υπόθεσης του «κρίσιμου εγκεφάλου».
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα τεράστια δίκτυα νευρώνων που αποτελούν τα όργανα σκέψης μας επεξεργάζονται πληροφορίες για τον κόσμο είναι ένα τρομακτικό μυστήριο για τους νευροεπιστήμονες. Ένα μέρος αυτού του ευρύτερου παζλ είναι πώς μια ενιαία φυσική δομή μπορεί να προετοιμαστεί για να αντιμετωπίσει τις μυριάδες απαιτήσεις της ζωής. «Εάν ο εγκέφαλος είναι εντελώς διαταραγμένος, δεν μπορεί να επεξεργαστεί πληροφορίες», εξήγησε ο Mauro Copelli, φυσικός στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Pernambuco στη Βραζιλία και συν-συγγραφέας της νέας έρευνας. "Αν είναι πολύ διατεταγμένο, είναι πολύ άκαμπτο για να αντιμετωπίσει τη μεταβλητότητα του περιβάλλοντος."
Τη δεκαετία του 1990, ο φυσικός Per Bak υπέθεσε ότι ο εγκέφαλος αντλεί τον σάκο των τεχνασμάτων του από την κρισιμότητα. Η ιδέα προέρχεται από τον κόσμο της στατιστικής μηχανικής, όπου περιγράφει ένα σύστημα πολλών τμημάτων που διακλαδίζονται μεταξύ σταθερότητας και χάους. Σκεφτείτε μια χιονισμένη πλαγιά το χειμώνα. Οι τσουλήθρες χιονιού στην αρχή της σεζόν είναι μικρές, ενώ οι χιονοθύελλες αργά την εποχή ενδέχεται να προκαλέσουν χιονοστιβάδες. Κάπου ανάμεσα σε αυτές τις φάσεις της τάξης και της καταστροφής βρίσκεται μια συγκεκριμένη χιονοκύστη όπου όλα πηγαίνουν:Η επόμενη αναταραχή θα μπορούσε να προκαλέσει μια σταγόνα, μια χιονοστιβάδα ή κάτι ενδιάμεσο. Αυτά τα γεγονότα δεν συμβαίνουν με την ίδια πιθανότητα. Αντίθετα, οι μικροί καταρράκτες εμφανίζονται εκθετικά πιο συχνά από τους μεγαλύτερους καταρράκτες, οι οποίοι εμφανίζονται εκθετικά πιο συχνά από τους μεγαλύτερους σταθερούς κ.ο.κ. Αλλά στο «κρίσιμο σημείο», όπως αποκαλούν οι φυσικοί τη διαμόρφωση, τα μεγέθη και οι συχνότητες των γεγονότων έχουν μια απλή εκθετική σχέση. Ο Bak υποστήριξε ότι ο συντονισμός σε ένα τόσο γλυκό σημείο θα έκανε τον εγκέφαλο έναν ικανό και ευέλικτο επεξεργαστή πληροφοριών.
Η ιδέα είχε τα πάνω και τα κάτω της. Η πρώτη εμπειρική απόδειξη προήλθε από φέτες εγκεφάλου αρουραίου το 2003. Ο Τζον Μπεγκς, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα, διαπίστωσε ότι οι αλυσιδωτές αντιδράσεις των νευρώνων πυροδότησης, που ονομάζονται «νευρονικές χιονοστιβάδες», εμφανίστηκαν σε συγκεκριμένες συστοιχίες μεγεθών χαρακτηριστικών της κρισιμότητας. Δηλαδή, οποιοδήποτε μέγεθος ήταν δυνατό, αλλά - όπως μια χιονισμένη πλαγιά στο κρίσιμο σημείο της - η συχνότητα των χιονοστιβάδων εξαρτιόταν εκθετικά από το μέγεθός τους. Ο Μπεγκς υποστήριξε ότι αυτή η σχέση «νόμου εξουσίας» σήμαινε ότι το κομμάτι του εγκεφάλου ήταν κρίσιμο, προκαλώντας μια πλημμύρα έρευνας παρακολούθησης. Οι επικριτές, ωστόσο, τελικά έδειξαν ότι ο ισχυρισμός ήταν πρόωρος, καθώς οι νόμοι ισχύος εμφανίζονται και σε τυχαία συστήματα — όπως οι συχνότητες λέξεων που παράγονται από έναν πίθηκο σε μια γραφομηχανή.
Οι υποστηρικτές αντιμετώπισαν δύο άλλα αινίγματα:Ο λεγόμενος κρίσιμος εκθέτης που ορίζει έναν νόμο ισχύος - ο αριθμός που δείχνει, για παράδειγμα, πόσες μικρότερες χιονοστιβάδες συμβαίνουν σε σχέση με τις μεγαλύτερες - ποικίλλει ανάλογα με τη διάταξη, διαψεύδοντας την ιδέα ενός καθολικού μηχανισμού πίσω από τις αποκρίσεις του εγκεφάλου . Επιπλέον, οι πειραματιστές βρήκαν ισχυρότερα σημάδια κρισιμότητας στα συγχρονισμένα νευρικά κύματα, τα οποία εμφανίζονται πιο συχνά κατά τη διάρκεια του βαθύ ύπνου, παρά στα πιο διάσπαρτα μοτίβα πυροδότησης εγκεφάλων ζώων. Αυτή η διαφορά προκάλεσε αμηχανία στους ερευνητές, οι οποίοι δεν προέβλεψαν σχέση μεταξύ κρισιμότητας και συγχρονισμού.
Για να αντιμετωπίσουν αυτές τις προκλήσεις, ο Copelli και οι συνεργάτες του νάρκωσαν αρουραίους χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο αναισθητικό που αφήνει τους εγκεφάλους να κινούνται ανάμεσα στα άκρα του συγχρονισμού, μερικές φορές πυροβολώντας με έναν συγχρονισμένο τρόπο τυπικό του ύπνου και άλλες φορές μοιάζοντας με την τυχαία στατικότητα των εγρήγορνων εγκεφάλων. Καταγράφοντας τις διόγκωση της νευρικής δραστηριότητας στον πρωτογενή οπτικό φλοιό με δεκάδες μεταλλικούς ανιχνευτές, η ομάδα διαπίστωσε ότι τα μεγέθη και οι διάρκειες και οι σχέσεις μεταξύ των μεγεθών και των διαρκειών των νευρωνικών χιονοστιβάδων ταιριάζουν σε κατανομές νόμου ισχύος με ποικίλους κρίσιμους εκθέτες - παρόμοια με Τα ευρήματα του Beggs το 2003 σε φέτες εγκεφάλου νεκρών αρουραίων.
Προχωρώντας παραπέρα, όμως, έδειξαν ότι όταν οι νευρώνες πυροδοτούνται με ένα ορισμένο μέτριο επίπεδο συγχρονισμού, αυτοί οι τρεις εκθέτες ταιριάζουν μεταξύ τους σύμφωνα με μια απλή εξίσωση. Αυτή η σχέση μεταξύ των εκθετών ικανοποιούσε ένα πιο αυστηρό τεστ κρισιμότητας που πρότειναν οι επικριτές το 2017. Οι εγκέφαλοι των αναισθητοποιημένων αρουραίων περνούσαν τον περισσότερο χρόνο τους κοντά σε αυτήν την κατάσταση, φαινομενικά αιωρούμενοι κοντά στη διαχωριστική γραμμή μεταξύ δύο φάσεων.
«Είναι ένα όπλο που καπνίζει. δεν μπορείς να το ξεφύγεις άλλο», είπε ο Μπεγκς, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. "Είναι πολύ δύσκολο να πούμε ότι αυτό είναι τυχαίο."
Όταν η ομάδα εξέτασε λεπτομερώς πού έπεσε το κρίσιμο σημείο, ωστόσο, διαπίστωσε ότι οι εγκέφαλοι των αρουραίων δεν ήταν ισορροπημένοι μεταξύ των φάσεων χαμηλής και υψηλής νευρωνικής δραστηριότητας, όπως προβλεπόταν από την αρχική κρίσιμη υπόθεση του εγκεφάλου. Μάλλον, το κρίσιμο σημείο χώριζε μια φάση στην οποία οι νευρώνες πυροδοτούν συγχρόνως και μια φάση που χαρακτηρίζεται από σε μεγάλο βαθμό ασυνάρτητη πυροδότηση νευρώνων. Αυτή η διάκριση μπορεί να εξηγήσει τη φύση των προηγούμενων αναζητήσεων κρισιμότητας. «Το γεγονός ότι έχουμε συμβιβάσει τα δεδομένα από προηγούμενες έρευνες δείχνει πραγματικά κάτι πιο γενικό», είπε ο Pedro Carelli, συνάδελφος του Copelli και συν-συγγραφέας της έρευνας, η οποία δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters στα τέλη Μαΐου.
Αλλά ένας αναισθητοποιημένος εγκέφαλος δεν είναι φυσικός, έτσι οι επιστήμονες επανέλαβαν την ανάλυσή τους σε δημόσια δεδομένα που περιγράφουν τη νευρική δραστηριότητα σε ποντίκια σε ελεύθερη περιαγωγή. Βρήκαν και πάλι στοιχεία ότι ο εγκέφαλος των ζώων βίωσε μερικές φορές κρισιμότητα που ικανοποιούσε το νέο πρότυπο χρυσού από το 2017. Ωστόσο, σε αντίθεση με τους αναισθητοποιημένους αρουραίους, οι νευρώνες στον εγκέφαλο των ποντικών περνούσαν τον περισσότερο χρόνο τους πυροβολώντας ασύγχρονα - μακριά από το υποτιθέμενο κρίσιμο σημείο της ημι- συγχρονικότητα.
Οι Copelli και Carelli αναγνωρίζουν ότι αυτή η παρατήρηση θέτει μια πρόκληση στην ιδέα ότι ο εγκέφαλος προτιμά να βρίσκεται κοντά στο κρίσιμο σημείο. Αλλά τονίζουν επίσης ότι χωρίς να εκτελέσουν οι ίδιοι το πείραμα σε ξύπνια ζώα (το οποίο είναι απαγορευτικά ακριβό), δεν μπορούν να ερμηνεύσουν οριστικά τα δεδομένα του ποντικιού. Ο κακός ύπνος κατά τη διάρκεια του πειράματος, για παράδειγμα, θα μπορούσε να έχει μεροληπτήσει τον εγκέφαλο των ζώων μακριά από την κρισιμότητα, είπε ο Copelli.
Αυτοί και οι συνάδελφοί τους ανέλυσαν επίσης δημόσια δεδομένα για πιθήκους και χελώνες. Αν και τα σύνολα δεδομένων ήταν πολύ περιορισμένα για να επιβεβαιώσουν την κρισιμότητα με την πλήρη σχέση τριών εκθετών, η ομάδα υπολόγισε την αναλογία μεταξύ δύο διαφορετικών εκθετών του νόμου ισχύος, υποδεικνύοντας τις κατανομές των μεγεθών και των διάρκειων χιονοστιβάδων. Αυτή η αναλογία - η οποία αντιπροσωπεύει πόσο γρήγορα εξαπλώθηκαν οι χιονοστιβάδες - ήταν πάντα η ίδια, ανεξάρτητα από το είδος και το αν το ζώο ήταν υπό αναισθησία. "Για έναν φυσικό, αυτό υποδηλώνει κάποιο είδος καθολικού μηχανισμού", είπε ο Copelli.
Ο Alain Destexhe του Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας (CNRS) στη Γαλλία, ο κριτικός που πρότεινε την εξίσωση που συσχετίζει τους τρεις εκθέτες ως τεστ κρισιμότητας, χαρακτήρισε την καθολικότητα των αποτελεσμάτων «εκπληκτική», αλλά είπε ότι δεν είναι σίγουρος αν είναι σημαίνει αυτό που λένε οι κριτικοί υποστηρικτές του εγκεφάλου. Επισημαίνει ότι επειδή οι χιονοστιβάδες σε εγκεφάλους σε εγρήγορση έχουν παρόμοια κλίμακα με εκείνες σε εγκεφάλους υπό βαθιά αναισθησία - όταν δεν έχουν αισθητηριακή εισροή - η κρισιμότητα μπορεί να μην έχει καμία σχέση με τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες και μπορεί να οφείλεται σε κάποια άλλη πτυχή της δυναμικής του εγκεφάλου .
Στη συνέχεια, η βραζιλιάνικη ομάδα ελπίζει να μελετήσει πώς οι σύγχρονες και ασύγχρονες φάσεις του εγκεφάλου των αρουραίων σχετίζονται με τη συμπεριφορά, ένα παζλ που επιδεινώνεται από το γεγονός ότι οι συγχρονισμένες εκρήξεις είναι κοινές κατά τη διάρκεια του ύπνου, αλλά συμβαίνουν και σε εγρήγορση εγκεφάλους.
Άλλες έρευνες έχουν συνδέσει τον ύπνο με την αποκατάσταση ενός αποσταθεροποιημένου εγκεφάλου στο κρίσιμο σημείο του και ο Μπεγκς πιστεύει ότι περαιτέρω μελέτες μπορεί κάποια μέρα να δημιουργήσουν βαθύτερες συνδέσεις μεταξύ της ψυχικής υγείας και της φυσικής του εγκεφάλου. Αλλά πρώτα, λέει ο Copelli, το πεδίο κρισιμότητας πρέπει να αντιμετωπίσει πιο βασικά ερωτήματα. «Η τρέχουσα θεωρία δεν μπορεί να εξηγήσει το αποτέλεσμα», είπε, εννοώντας τα νέα ευρήματα του ίδιου και των συναδέλφων του, «άρα ανοίγει ξανά τον αγώνα για μοντέλα».
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις Spektrum.de και σε Ισπανικά στο Investigacionyciencia.es .
