Человеческий мозг обрабатывает информацию с удивительной эффективностью, и ученые нашли объяснение этому явлению. Оказывается, секрет заключается в точной синхронизации между физической структурой нейронных соединений и скоростью функционирования отдельных областей мозга.
Мозг состоит из миллиардов нейронов, соединенных густой сетью нервных волокон — так называемым коннектомом. Эта структура в целом стабильна и служит своеобразной «дорожной сетью» для передачи сигналов. Тем не менее, различные области мозга функционируют с разной скоростью. Например, зоны, отвечающие за обработку зрительной и слуховой информации, реагируют практически мгновенно, тогда как участки, связанные со сложным мышлением и принятием решений, требуют значительно больше времени для анализа информации. Эти характерные скорости называются внутренними нейронными временными шкалами.
Традиционные математические модели работы мозга исходили из упрощенного предположения, согласно которому все области функционируют с одинаковой скоростью. Это упрощало расчеты, но биологической реальности не соответствовало. Джейсон Ким и Линден Паркс вместе с коллегами из Корнеллского и Ратгерского университетов разработали новую модель, которая учитывает индивидуальную скорость работы каждой области. Используя данные проекта Human Connectome Project, включающего сканы мозга сотен молодых людей, ученые создали алгоритм, который определяет, как быстро затухает активность в различных участках мозга.
Полученные результаты оказались впечатляющими. Модель с переменными временными шкалами требовала значительно меньше энергии для симуляции переходов между состояниями мозга по сравнению со стандартной моделью. Это подтверждает, что мозг эволюционно настроен использовать различия в скоростях работы своих областей для экономии метаболических затрат на мышление.
Чтобы подтвердить биологическую достоверность модели, ученые сопоставили ее результаты с данными о генной экспрессии из Атласа человеческого мозга Аллена. Области, которые модель определила как быстрые, действительно содержали больше маркеров клеток, связанных с быстрой передачей сигналов. В то же время медленные зоны были богаты маркерами клеток, отвечающих за более длительные регуляторные процессы. Примечательно, что аналогичные закономерности были обнаружены и при анализе мозга мышей, что указывает на основной принцип организации мозга млекопитающих, который сохранился в процессе эволюции.
Практическое значение открытия подтвердилось при анализе индивидуальных различий между участниками исследования. Люди, у которых временные шкалы мозга лучше согласовывались со структурой связей, показывали более высокие результаты в тестах на подвижный интеллект и пространственную ориентацию. В будущем этот подход может оказать помощь в изучении психических и неврологических расстройств, которые могут быть связаны с несоответствием между физической структурой мозга и скоростью его работы.
Фото: hi-tech.mail.ru
