Særegen fysik på arbejde i hjernen

I 1982, Nobelprisen i fysik blev tildelt Ken Wilson for hans bidrag til at forstå, hvad der foregår i visse materialer, når de gennemgår en faseovergang - som overgangen mellem flydende vand og damp. For visse former for faseovergange, det viser sig, at de fysiske styrende love er i overensstemmelse med en meget ejendommelig, fraktal symmetri. Det er, de fysiske love er de samme, uanset om de betragtes i små eller store skalaer. Konsekvenserne af denne ulige skalaændringssymmetri er dybtgående. Det viser sig, at ganske forskellige systemer - ikke kun vand - udviser det samme, universel adfærd, så længe de er i overensstemmelse med den samme skalaændringssymmetri.

Hvad har denne grundlæggende fysik at gøre med hjernen? Spol frem et par årtier, og forskere fandt ud af, at hjerneaktivitet i hjernebarken udviser nogle af de samme træk som de fysiske systemer, som Wilson studerede. Hjernebarken kan også undergå en faseovergang. Det er ikke at sige, at hjernen kan fordampe eller fryse. Hellere, hjernens aktivitet kan undergå en overgang fra på ordnet sortering til en mere uordnet slags. Denne overgang ser ud til at dele mange ligheder med dem, der er undersøgt meget i fysiske systemer, men indtil for nylig var det mest grundlæggende spørgsmål ikke blevet behandlet. Skalaændringssymmetrien undersøgt af Wilson og andre var ikke blevet undersøgt i forbindelse med hjernedynamik.

Forskere i Institut for Fysik ved University of Arkansas, der samarbejder med neurobiologer fra Imperial College London, har nu gjort dette. Vidit Agrawal, en kandidatstuderende ved U of A, og kolleger har direkte vist, at de dynamiske regler for cerebral cortex aktivitet kan, under visse omstændigheder, i overensstemmelse med skalaændringssymmetri. De analyserede eksperimentelle målinger fra musekortex og beregningsmodeller af neurale netværk. Beregningsmodellerne bekræftede, at symmetri med skalaændring kun forekommer i nærheden af ​​en type neural faseovergang. De eksperimentelle data afslørede, at når en mus vågner op af anæstesi, det er hjernedynamik nærmer sig skalaændringssymmetri. Arbejdet tyder på, at i vågen tilstand, hjernebarken er underlagt love, der er ens på forskellige skalaer.