Мозг - это чудо эффективности, отточенное тысячелетиями эволюции, позволяющее ему адаптироваться и процветать в быстро меняющемся мире. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, тайна того, как мозг достигает этого, остается неразгаданной. Наше новое исследование, опубликованное в журнале Cell, раскрывает, как нейроны — клетки, ответственные за ваши детские воспоминания, мысли и эмоции — координируют свою активность. Это немного похоже на работу в высокоэффективном бизнесе. Сочетание индивидуальных навыков и командной работы - ключ к успеху, но как достичь этого баланса?
Как оказалось, секрет работы мозга на удивление прост: не более половины (и не менее 40%) усилий каждой клетки тратьте на выполнение индивидуальных задач. На что тратится остальная часть усилий? На масштабируемую командную работу.
И вот что интересно: мы обнаружили точно такую же организационную структуру в мозге пяти видов — от плодовых мушек и нематод до рыбок данио, мышей и обезьян.
Эти виды происходят из разных ветвей древа жизни, разделенных более чем миллиардом лет эволюции, что позволяет предположить, что мы, возможно, открыли фундаментальный принцип оптимизации обработки информации. Это также дает важные уроки для любой современной сложной системы.
Критическая промежуточная точка
Наше открытие затрагивает давнюю дискуссию о мозге: действуют ли нейроны как звездные игроки (каждый из них узкоспециализирован и эффективен) или они отдают приоритет командной работе (обеспечивая работу всей системы, даже когда некоторые элементы дают сбои)?
Ответить на этот вопрос было непросто. До недавнего времени инструменты нейробиологии были ограничены регистрацией активности нескольких клеток или нескольких миллионов.
Это было бы все равно, что пытаться понять крупную компанию, либо опросив горстку сотрудников, либо получив только резюме высокопоставленных сотрудников отдела. Критическая золотая середина отсутствовала.
Однако благодаря достижениям в области кальциевой визуализации мы теперь можем регистрировать сигналы от десятков тысяч клеток одновременно. Кальциевая визуализация - это метод, который позволяет нам наблюдать за нейронной активностью в режиме реального времени с помощью флуоресцентных датчиков, которые загораются в зависимости от уровня кальция в клетке.
Применив знания, полученные в ходе моего обучения физике, для анализа крупномасштабных наборов данных, мы обнаружили, что активность мозга развивается в соответствии с фрактальной иерархией. Ячейки работают вместе, создавая более крупные, скоординированные сети, создавая организацию, в которой каждая шкала отражает те, что находятся выше и ниже.
Эта структура дала ответ на спорные вопросы: мозг на самом деле выполняет и то, и другое. Он уравновешивает индивидуальность и командную работу, и делает это умным способом. Примерно половина усилий уходит на "личную" производительность, поскольку нейроны взаимодействуют во все более крупных сетях.
Мозг может быстро адаптироваться к изменениям
Чтобы проверить, обладает ли структура мозга уникальными преимуществами, мы провели компьютерное моделирование, которое показало, что эта фрактальная иерархия оптимизирует поток информации через мозг.
Это позволяет мозгу делать что-то важное: адаптироваться к изменениям. Это обеспечивает эффективную работу мозга, выполнение задач с минимальными затратами ресурсов, сохраняя при этом работоспособность, даже когда нейроны дают сбой.
Независимо от того, ориентируетесь ли вы на незнакомой местности или реагируете на внезапную угрозу, ваш мозг быстро обрабатывает новую информацию и реагирует на нее. Нейроны постоянно корректируют свою координацию, сохраняя мозг достаточно стабильным для глубокого обдумывания и в то же время достаточно гибким, чтобы реагировать на новые вызовы.
Обнаруженная нами многомасштабная организация позволяет различным стратегиям — или "нейронным кодам" — функционировать в разных масштабах. Например, мы обнаружили, что движение рыбок данио зависит от слаженной работы многих нейронов. Такая эластичная конструкция обеспечивает плавное плавание даже в быстро меняющихся условиях.
В отличие от этого, зрение мыши адаптируется на клеточном уровне, обеспечивая точность, необходимую для извлечения мельчайших деталей из сцены. В данном случае, если несколько нейронов упускают ключевые фрагменты информации, восприятие в целом может измениться — как при оптической иллюзии, которая обманывает ваш мозг.
Наши результаты показывают, что эта фрактальная координация нейронной активности происходит на протяжении огромного эволюционного периода: от позвоночных, чей последний общий предок жил 450 миллионов лет назад, до беспозвоночных, возраст которых насчитывает миллиард лет.
Это говорит о том, что мозг эволюционировал таким образом, чтобы сбалансировать эффективность и устойчивость, обеспечивая оптимизированную обработку информации и адаптируемость к новым поведенческим требованиям. Эволюционное постоянство указывает на то, что мы обнаружили фундаментальный принцип проектирования.
Фундаментальный принцип?
Наступили захватывающие времена, когда физика и нейробиология продолжают взаимодействовать, чтобы раскрыть универсальные законы работы мозга, выработанные эонами естественного отбора. Потребуется дальнейшая работа, чтобы увидеть, как эти принципы могут проявиться в человеческом мозге.
Наши результаты также указывают на нечто большее: это простое правило индивидуальной концентрации и масштабируемой командной работы может быть решением не только для мозга.
Когда элементы организованы в многоуровневые сети, можно эффективно распределять ресурсы, а система становится устойчивой к сбоям.
Лучшие компании работают по тому же принципу — когда возникает новая проблема, сотрудники могут реагировать, не дожидаясь указаний от своего руководителя, что позволяет им быстро решить проблему, не теряя при этом поддержки организации.
Возможно, это универсальный принцип для достижения устойчивости и эффективности в сложных системах. Похоже, легенда баскетбола Майкл Джордан был прав, когда сказал: "Талант побеждает в играх, но командная работа и интеллект выигрывают чемпионаты".
