Влияние формы
На протяжении более века считалось, что модели мозговой активности, определяющие наш опыт, наши мысли и мечты, определяются тем, как разные области мозга взаимодействуют друг с другом.
Классическая и доминирующая парадигма заключается в том, что динамика нейронов управляется взаимодействиями между дискретными, функционально специализированными клеточными популяциями, связанными сложной системой аксональных волокон.
Тем не менее, теория нейронного поля и установленной математической основы для моделирования крупномасштабной активности мозга, предполагают, что геометрия мозга может представлять собой более фундаментальное ограничение динамики, чем сложные нейронные связи.
В новом исследовании "Geometric constraints on human brain function" изучив более 10 000 различных карт активности человеческого мозга было обнаружило, что общая форма мозга человека оказывает гораздо большее влияние на то, как мы думаем, чувствуем и ведем себя, чем его сложные нейронные сети.
Динамика многих природных систем существенно ограничена лежащей в их основе структурой.
Например, форма барабана влияет на его акустические свойства, морфология русла реки формирует подводные течения, а геометрия белка определяет молекулы, с которыми он может взаимодействовать.
Нервная система не является исключением, с богатой и сложной пространственно-временной динамикой анатомически распределенных популяций нейронов, поддерживаемой их сложной паутиной аксональных взаимосвязей.
В различных областях физики и техники структурные ограничения на динамику системы можно понять через собственные моды системы, которые являются фундаментальными пространственными паттернами, соответствующими естественным резонансным модам этой системы.
В линейном режиме, таком как мозговая активность в нормальных (то есть не подобных судорогам) условиях, собственные геометрические моды предлагают более простое, экономное и механистически информативное объяснение предполагаемых градиентов функциональной организации в неокортикальных структурах для связи анатомии мозга с физическими процессами, которые формируют активность. Структурированные паттерны активности возникают почти во всем мозге одновременно, точно так же, как возникает музыкальная нота - по всей длине струны, а не только в ее изолированном отрезке.
Через эту линзу пространственно-временные паттерны динамики нейронов возникают в результате возбуждения собственных структурных мод мозга, подобно тому, как гармоники натянутой струны скрипки возникают в результате колебаний ее собственных резонансных мод.
Важно отметить, что точно так же, как резонансные частоты скрипичной струны определяются ее длиной, плотностью и натяжением, собственные моды мозга определяются его структурными - физическими, геометрическими и анатомическими - свойствами.
Собственные моды, определяемые геометрией мозга - его контурами и кривизной - представляют собой сильнейшие анатомические ограничения на функции мозга, подобно тому, как форма барабана влияет на звуки, которые он может издавать.
Тесная связь между геометрией и функцией обусловлена волновой активностью, распространяющейся по всему мозгу, точно так же, как форма пруда влияет на рябь поверхности, образуемую падающим камешком.
[P.S.]
Картинка кликабельна