Partikelfysik på hjernen

Det er svært at forstå universets grundlæggende bestanddele. At give mening i hjernen er en helt anden udfordring. Hver kubikmillimeter menneskelig hjerne indeholder omkring 4 km neuronale "ledninger", der bærer signaler på millivoltniveau, forbinder utallige celler, der definerer alt, hvad vi er og gør. De gamle egyptere vidste allerede, at forskellige dele af hjernen styrer forskellige fysiske funktioner, og et par århundreder er gået, siden læger underholdt folkemængderne ved at føre strømme gennem lig for at få dem til at virke levende. Men først i de seneste årtier har neuroforskere været i stand til at dykke dybt ned i hjernens kredsløb.

Den 25. januar, taler til et tætpakket publikum i CERNs teoriafdeling, Vijay Balasubramanian fra University of Pennsylvania beskrev en fysikers tilgang til at løse hjernen. Balasubramanian gjorde sin ph.d. i teoretisk partikelfysik ved Princeton University og arbejdede også på UA1-eksperimentet på CERNs Super Proton Synchrotron i 1980'erne. I dag spænder hans forskning fra strengteori til teoretisk biofysik, hvor han anvender metoder, der er almindelige i fysik, til at modellere den neurale topografi af informationsbehandling i hjernen.

Hjernens grundlæggende arkitektur er rimelig godt forstået. Meget komplekse sensoriske og kognitive opgaver udføres af den samarbejdsmæssige handling af mange specialiserede neuroner og kredsløb, som hver især har en overraskende enkel funktion. Balasubramanian brugte eksempler, herunder vores lugtesans, som gør det muligt for mennesker og andre dyr at skelne enorme rækker af lugtblandinger ved hjælp af meget begrænsede neurale ressourcer, og vores "sans for sted" (hvordan vi mentalt repræsenterer vores fysiske placering) for at demonstrere, at hjerner har udviklet neurale kredsløb, der udnytter sofistikerede matematikprincipper - hvoraf nogle først nu bliver opdaget.

Bemærkelsesværdigt, forudsigelser lavet af ret rå modeller viser sig at beskrive hjernens kredsløb ret godt, ofte udfordrende traditionel tænkning. Generelt, Balasubramanians beregninger tyder på, at dyr har udviklet sig til at få det største kognitive bang for det mindst mulige antal neuroner. "Neuroner er dyre!" han siger, påpeger, at hjernen kun udgør to procent af vores kropsvægt, men repræsenterer 20 procent af vores metaboliske belastning. Hjernen bruger kun 12W strøm, syv gange mindre end en typisk bærbar computer, alligevel prale af betydeligt mere beregningskraft udnyttet til at udføre subtile funktioner. "Hjernen kan få os til at forelske os, hvorimod computeren næsten ikke genkender et ansigt, " han siger.

Stadig, Balasubramanian mener, at mennesker overvurderer deres kognitive evner:vi er ikke helt så specielle, som vi tror, ​​vi er. Han hævder, at størstedelen af ​​vores hjernes adfærd stammer fra primære ledninger, der er fælles for de fleste hvirveldyr. Mens en kvantitativ forståelse af højere begreber såsom "tanker" eller "bevidsthed" stadig er langt væk, Det er klart, at der er grobund for fysikere at udforske i neurovidenskabens hurtigt skiftende verden.