Hvor er mit sind? Ny undersøgelse leder efter det kortikale bevidste netværk

Vores hjerne er et meget komplekst netværk, med cirka 100 milliarder neuroner og 100 billioner synapser mellem neuronerne. For at klare den enorme kompleksitet, og forstå, hvordan hjernen fungerer og til sidst danner vores bevidste sind, videnskab bruger avancerede matematiske værktøjer. Ultimativt, forskere søger at forstå, hvordan et globalt fænomen som bevidsthed kan komme ud af vores neuronale netværk.

Et team af fysikere fra Bar-Ilan University i Israel, ledet af professor Shlomo Havlin og professor Reuven Cohen, brugte netværksteori for at klare denne kompleksitet og for at bestemme, hvordan strukturen i det menneskelige kortikale netværk kan understøtte kompleks dataintegration og bevidst aktivitet. Det grå område af den menneskelige cortex, neuroncellelegemerne, blev scannet med MR -billeddannelse og brugt til at danne 1, 000 noder i det kortikale netværk. Det hvide stof i den menneskelige cortex, neuronbundterne, blev scannet med DTI -billeddannelse, danner 15, 000 links eller kanter, der forbandt netværkets noder. I slutningen af ​​denne proces, deres netværk var en tilnærmelse til strukturen af ​​den menneskelige cortex. Forskningen blev for nylig offentliggjort i New Journal of Physics .

Tidligere undersøgelser har vist, at den menneskelige cortex er et netværk med små verdens egenskaber, hvilket betyder, at den har mange lokale strukturer og nogle genveje fra globale strukturer, der forbinder fjerne områder (svarer til forskellen mellem lokale busser og langrendstog). Cortex har også mange hubs, som er noder, der har et stort antal links (f.eks. centralstationer), der også er stærkt forbundet indbyrdes, gør det let at rejse mellem hjernens informationsveje.

Ifølge Nir Lahav, undersøgelsens hovedforfatter, "For at undersøge, hvordan netværkets struktur kan understøtte globale nye fænomener, som bevidsthed, vi anvendte en netværksanalyse kaldet k-shell nedbrydning. Denne analyse tager hensyn til forbindelsesprofilen for hver node, hvilket gør det let at afdække forskellige forbindelsesområder i det kortikale netværk, vi kaldte skaller. "Det mest forbundne kvarter i netværket betegnes netværkets kerne. Lahav forklarer, "I processen skræller vi forskellige skaller af netværket af for at få det mest forbundne område af netværket, kernen. Indtil i dag var forskere kun interesserede i netværkets kerne, men vi fandt ud af, at disse forskellige skaller kan indeholde vigtig information om, hvordan hjernen integrerer information fra de lokale niveauer i hver knude til hele det globale netværk. For første gang kan vi bygge en omfattende topologisk model af vores cortex. "

Denne topologiske model afslører, at netværkets kerne omfatter 20% af alle noder, og at de resterende 80% er stærkt forbundet på tværs af alle de forskellige skaller. Interessant nok, når vi sammenligner denne topologi med andre netværk, såsom internettet, vi kan se nogle mærkbare forskelle. For eksempel, i internet netværkstopologi er næsten 25% af noderne isoleret, hvilket betyder, at de ikke forbinder til andre skaller end kernen (se 'benene' på medusaformstopologien i figur 1, topologi af menneskelig cortex). I det kortikale netværk, imidlertid, der er næsten ingen isolerede noder. Det ser ud til, at cortex er meget mere forbundet og effektivt end internettet.

Ser man på alle de forskellige skaller i det kortikale netværk, forfatterne var i stand til at definere netværkets hierarkiske struktur og i det væsentlige modellere, hvordan information flyder inden for netværket. Strukturen afslørede, hvordan skaller med lav forbindelse er noder, der typisk udfører specifikke funktioner som ansigtsgenkendelse. Derfra overføres dataene til højere, flere tilsluttede skaller, der muliggør yderligere dataintegration, og der kan vi se regioner i det eksekutive netværk og arbejdshukommelse. Med disse områder kan vi f.eks. Fokusere på opgaveudførelse (billede 2, hierarkiet i den menneskelige cortex).

Den integrerede information 'rejser' derefter til det mest forbundne kvarter af noder, kernen, som strækker sig over flere områder af cortex. Ifølge Lahav, "Det er et sammenkoblet kollektiv, der er tæt forbundet med sig selv og kan udføre globale funktioner på grund af dets store mængde globale strukturer, der er udbredt i hele hjernen." (Se figur 3, kerne i den menneskelige cortex.)

Hvilken global funktion kan kernen tjene? Forfatterne foreslår, at svaret ikke er mindre end selve bevidstheden.

"Forbindelsen mellem hjerneaktivitet og bevidsthed er stadig et stort mysterium, "siger Lahav. Hovedhypotesen i dag er, at for at skabe bevidst aktivitet, hjernen skal integrere relevant information fra forskellige områder af netværket. Ifølge denne teori, ledet af professor Giulio Tononi, fra University of Wisconsin, hvis niveauet for integreret information overskrider en vis grænse, en ny og fremvoksende stat er trådt ind, bevidsthed. Denne model antyder, at bevidsthed afhænger af både informationsintegration og informationssegregation. Løst sagt, bevidsthed genereres af en "central" netværksstruktur med høj kapacitet til informationsintegration, med bidrag fra undernetværk, der indeholder specifikke og adskilte oplysninger, uden at være en del af den centrale struktur. Med andre ord, visse dele af hjernen er mere involveret end andre i det, vi kan kalde hjernens bevidste kompleks, endnu andre forbundne dele bidrager stadig, arbejder stille og roligt uden for det bevidste kompleks.

Forfatterne demonstrerer, hvordan kernen og de forskellige skaller opfylder alle kravene i disse nylige bevidsthedsteorier. De forskellige skaller beregner og bidrager til dataintegration uden egentlig at være en del af det bevidste kompleks, mens kernen modtager relevant information fra alle andre hierarkier og integrerer den til en samlet funktion ved hjælp af dens globale sammenkoblede struktur. Kernen kunne således være dette bevidste kompleks, fungerer som en platform for bevidsthed til at komme ud af netværksaktiviteten.

Da forfatterne undersøgte de forskellige regioner, der udgør kernen, afslørede de, at Ja, disse regioner har tidligere været forbundet med bevidste aktiviteter. For eksempel, strukturer inden for hjernens midterlinje, som udgør størstedelen af ​​netværkets kerne, viste sig at være forbundet med bevidsthedsstrømmen og noget forskning, ligesom professor Georg Northoff, fra University of Ottawa, har antydet, at disse regioner er involveret i at skabe vores selvfølelse.

"Nu skal vi bruge denne analyse på hele hjernen og ikke kun på cortex for at afsløre en mere præcis model af hjernens hierarki, og senere for at forsøge at forstå, hvad der præcist er den neuronale dynamik, der fører til en sådan global integration og, ultimativt, bevidsthed, «siger Lahav.

"Dybtgående spørgsmål har brug for et dybtgående svar, der normalt kun findes i fysik. Fysik forsøger at afdække de grundlæggende naturlove ved at konstruere generelle matematiske ligninger, der kan beskrive så mange naturfænomener som muligt. Disse matematiske ligninger afslører grundlæggende aspekter af virkeligheden. Hvis vi vil virkelig forstå, hvad bevidsthed er, og hvordan hjernen fungerer, vi er nødt til at udvikle de matematiske ligninger i vores hjerne og vores bevidste sind. Vi er der ikke endnu, faktisk er vi ret langt væk fra dette mål, men jeg føler, at dette burde være vores 'hellige gral', og vi har allerede begyndt processen med at komme dertil, "tilføjer han.