De la musculițe la maimuțe, cercetătorii au descoperit un principiu universal implicat în coordonarea activității creierului.
Creierul este un miracol de eficiență, modelat de mii de ani de evoluție pentru a se adapta și a prospera într-o lume în continuă schimbare. Cu toate acestea, în ciuda deceniilor de cercetare, misterul felului în care creierul reușește acest lucru a rămas greu de descifrat.
Un nou studiu publicat în revista Cell dezvăluie cum neuronii — celulele responsabile pentru amintirile, gânduri, emoții etc. — își coordonează activitatea.
Este un pic ca și cum ai fi un muncitor într-o afacere de succes. Echilibrul dintre abilitățile individuale și munca în echipă este cheia succesului, dar cum ajungi la acest echilibru?
Se pare că secretul creierului este surprinzător de simplu: alocă nu mai mult de jumătate (și nu mai puțin de 40%) din capacitatea fiecărei celule sarcinilor individuale. Unde merge restul efortului? Către munca de echipă, scalabilă.
Și iată partea cea mai interesantă - am găsit exact aceeași structură organizațională în creierele a cinci specii: musculițe, nematozi, pești-zebră, șoareci și maimuțe.
Aceste specii provin din ramuri diferite ale „arborelui vieții”, separate de mai bine de un miliard de ani de evoluție, sugerând că este posibil să fi descoperit un principiu fundamental pentru procesarea optimizată a informațiilor. De asemenea, oferă informații utile pentru orice sistem complex din zilele noastre.
Zona esențială de mijloc
Descoperirea răspunde la o întrebare veche despre creier: acționează neuronii ca jucători-vedetă (fiecare extrem de specializat și eficient) sau prioritizează munca în echipă (asigurând funcționarea întregului sistem, chiar și atunci când unele elemente eșuează)?
A răspunde la această întrebare a fost o provocare. Până de curând, instrumentele neuroștiințifice erau limitate fie la înregistrarea activității câtorva celule ori a câtorva milioane.
Ar fi ca și cum ai încerca să înțelegi o mare companie intervievând doar câțiva angajați sau primind doar rezumate generale ale departamentelor. Lipsea zona esențială de mijloc.
Cu toate acestea, datorită avansurilor în imagistica ionilor de calciu, acum putem înregistra semnale de la zeci de mii de celule simultan. Imagistica ionilor de calciu este o metodă care ne permite să observăm activitatea neuronală în timp real, folosind senzori fluorescenți care se luminează în funcție de nivelurile de calciu din celulă.
Aplicând abordări din fizică pentru a analiza seturi mari de date, am descoperit că activitatea creierului se desfășoară conform unei ierarhii fractale. Celulele colaborează pentru a construi rețele mai mari, coordonate, creând o organizație în care la fiecare scară se reflectă nivelurile de deasupra și sub.
Această structură a oferit un răspuns pentru întrebarea menționată: creierul face de fapt ambele lucruri. Echilibrează individualitatea și munca în echipă într-un mod ingenios. Aproximativ jumătate din efort este dedicat „performanței personale”, în timp ce neuronii colaborează în rețele din ce în ce mai mari.
Creierul poate să se adapteze rapid la schimbare
Pentru a testa dacă structura creierului are avantaje unice, am efectuat simulări computerizate care au arătat că această ierarhie fractală optimizează fluxul de informații în creier.
Aceasta permite creierului să facă ceva foarte important: să se adapteze la schimbare. Asigură funcționarea eficientă a creierului, îndeplinind sarcini cu resurse minime, menținând o bună funcționare chiar și atunci când neuronii dau erori.
Fie că navighezi pe un teren necunoscut, fie că reacționezi la o amenințare bruscă, creierul tău procesează și acționează asupra noilor informații rapid. Neuronii ajustează în mod continuu coordonarea, menținând creierul suficient de stabil pentru gândire profundă, dar suficient de agil pentru a răspunde la noi provocări.
Organizarea pe mai multe scări pe care am descoperit-o permite strategii diferite – sau „coduri neuronale” – să funcționeze la diferite scări. De exemplu, am constatat că mișcarea peștelui-zebră se bazează pe mulți neuroni care lucrează la unison. Acest design asigură continuitatea mișcării, chiar și în medii care presupun schimbări rapide.
În contrast, vederea șoarecelui se adaptează la scară celulară, permițând precizia necesară pentru a extrage detalii fine dintr-o scenă. Dacă unii neuroni pierd informații cheie, întreaga percepție se poate schimba – ca atunci când o iluzie optică îți păcălește creierul.
Descoperirile noastre arată că această coordonare fractală a activității neuronale apare într-un interval evolutiv vast: de la vertebrate, al căror ultim strămoș comun a trăit acum 450 de milioane de ani, la nevertebrate, datând de acum un miliard de ani.
Acest lucru sugerează că, în fapt, creierele au evoluat pentru a echilibra eficiența cu reziliența, permițând procesarea optimizată a informațiilor și adaptabilitatea la noi cerințe comportamentale. Persistența de-a lungul evoluției sugerează că am descoperit un principiu fundamental de proiectare.
Un principiu fundamental?
Sunt vremuri incitante, pe măsură ce fizica și neuroștiința continuă să colaboreze pentru a descoperi legile universale ale creierului, rafinate de-a lungul epocilor de selecție naturală. Noi cercetări sunt necesare pentru a vedea cum se manifestă aceste principii în creierul uman.
Descoperirile noastre sugerează și ceva mai amplu: această regulă simplă a concentrării individuale și a muncii în echipă scalabile ar putea fi mai mult decât o soluție pentru creier.
Atunci când elementele sunt organizate în rețele ierarhizate, resursele pot fi distribuite și folosite eficient, iar sistemul devine robust în fața dificultăților.
Cele mai bune afaceri funcționează la fel — când apare o provocare nouă, indivizii pot reacționa fără a aștepta instrucțiuni de la manager, permițându-le să rezolve problema rapid, având totodată sprijinul organizației.
S-ar putea să fie un principiu universal pentru a obține reziliență și eficiență în sisteme complexe. Se pare că legenda baschetului, Michael Jordan, avea dreptate când spunea: „talentul câștigă jocuri, dar munca în echipă și inteligența câștigă campionate”.
Traducere și adaptare după How do brains coordinate activity?
Autorul, Brandon Robert Munn, este cercetător postdoctoral la Universitatea din Sydney
