Фракталы и работа мозга

Как связаны фрактальность и работа мозга?

Создателем фрактальной геометрии является французский учёный-математик Бенуа Мандельброт. Фракталом он назвал структуру, состоящую из частей подобных целому.

Фрактальная структура образуется путём бесконечного повторения исходной формы в уменьшающемся либо в увеличивающемся масштабе по определённому алгоритму.

Таким образом, фрактал характеризуется самоподобием, единообразием в широком диапозоне масштабов.

Примером фрактальной структуры в природе служат береговые линии, реки с их притоками, молнии, раскаты грома, поверхность гор, облаков, распределение галактик, солнечная активность и др.

Но сейчас мы остановимся на рассмотрении мозга человека, в котором сети нейронов характеризуются проявлениями фрактальной организации как в пространстве, так и во времени. Учёные предполагают, что фрактальная структура нейрона связана с наличием элементов хаоса в нервной системе. На электроэнцефалограммах человека обнаруживается хаотическая фрактальная динамика в функционировании нейронов и их сетей. Причём именно такая хаотическая динамика является нормой, тогда как чересчур упорядоченный режим свидетельствует о патологии работы мозга.

У нейронов есть способность к самоорганизации. Нервные клетки имеют высокую степень формирования разнообразных пространственно-временных паттернов. Всё это позволяет нам адаптироваться к изменчивой и непредсказуемой среде обитания. Но ещё, фрактальность является свойством одного физического явления известного как критичность, о которой поговорим далее.

10 июня 2024 года учёные Северо-западного университета (штат Иллинойс, США) опубликовали результаты исследований работы мозга человека, мыши и мухи-дрозофилы.

Они предположили, что на микроскопическом уровне клеточная структура мозга подчиняется законам критичности. Критичность - это особое состояние системы, находящейся на грани хаоса и порядка.

Учёные указывают, что на клеточном уровне мозг как раз демонстрирует характеристики системы, которая переходит из одной фазы в другую, подобно тому как лёд превращается в воду.

Фазовый переход имеет критическую точку, вблизи которой система преобретает удивительные свойства:

1) фрактальность (см. выше);
2) долгосрочные корреляции: отдалённые части системы начинают "чувствовать" друг друга.

Именно эти свойства и обнаружили учёные, анализируя карты мозга не только человека, но и мыши, а также плодовых мух, что может свидетельствовать о существовании универсального принципа. Однако, что представляют собой данные фазы перехода мозга остаётся пока загадкой.

Познакомиться с научной статьёй можно, пройдя по ссылке https://www.nature.com/articles/s42005-024-01665-y