Vår hjärna är ett mycket komplext nätverk, med cirka 100 miljarder neuroner och 100 biljoner synapser mellan neuronerna. För att hantera dess enorma komplexitet, och förstå hur hjärnan fungerar och så småningom bildar vårt medvetna sinne, vetenskap använder avancerade matematiska verktyg. I sista hand, forskare försöker förstå hur ett globalt fenomen som medvetande kan växa fram från vårt neuronala nätverk.

Ett team av fysiker från Bar-Ilan University i Israel, ledd av professor Shlomo Havlin och professor Reuven Cohen, använde nätverksteori för att hantera denna komplexitet och för att avgöra hur strukturen i det mänskliga kortikala nätverket kan stödja komplex dataintegration och medveten aktivitet. Den gråa delen av den mänskliga cortexen, nervcellkropparna, skannades med MR -avbildning och användes för att bilda 1, 000 noder i kortikala nätverk. Den vita substansen i den mänskliga cortexen, neuronbuntarna, skannades med DTI -avbildning, bildar 15, 000 länkar eller kanter som anslutit nätverkets noder. I slutet av denna process, deras nätverk var en approximation av strukturen i den mänskliga cortexen. Forskningen publicerades nyligen i New Journal of Physics .

Tidigare studier har visat att den mänskliga cortexen är ett nätverk med små världsegenskaper, vilket innebär att den har många lokala strukturer och några genvägar från globala strukturer som förbinder avlägsna områden (liknande skillnaden mellan lokalbussar och längdåkningståg). Cortex har också många nav, som är noder som har ett stort antal länkar (som centralstationer), som också är starkt sammankopplade med varandra, gör det enkelt att resa mellan hjärnans informationsvägar.

Enligt Nir Lahav, huvudförfattaren till studien, "För att undersöka hur nätverkets struktur kan stödja globala framväxande fenomen, som medvetande, vi tillämpade en nätverksanalys som kallas k-shell-sönderdelning. Denna analys tar hänsyn till anslutningsprofilen för varje nod vilket gör det enkelt att upptäcka olika anslutningsområden i det kortikala nätverket, vi kallade skal. "Det mest anslutna grannskapet i nätverket kallas nätverkets kärna. Lahav förklarar, "I processen avlägsnar vi olika skal i nätverket för att få det mest anslutna området i nätverket, kärnan. Fram till idag var forskare bara intresserade av nätverkets kärna, men vi fann att dessa olika skal kan innehålla viktig information om hur hjärnan integrerar information från de lokala nivåerna i varje nod till hela det globala nätverket. För första gången kan vi bygga en omfattande topologisk modell av vår cortex. "

Denna topologiska modell avslöjar att nätverkets kärna innehåller 20% av alla noder och att de återstående 80% är starkt anslutna mellan alla olika skal. Intressant, när vi jämför denna topologi med den för andra nätverk, som internet, vi kan se några märkbara skillnader. Till exempel, inom internetnätverkstopologi är nästan 25% av noder isolerade, vilket betyder att de inte ansluter till andra skal än kärnan (se 'benen' på medusaformstopologin i figur 1, topologi av mänsklig cortex). I det kortikala nätverket, dock, det finns knappast några isolerade noder. Det verkar som att cortex är mycket mer ansluten och effektiv än internet.

Tittar på alla de olika skalen i det kortikala nätverket, författarna kunde definiera nätverkets hierarkiska struktur och i huvudsak modellera hur information flödar inom nätverket. Strukturen avslöjade hur skal med låg anslutning är noder som vanligtvis utför specifika funktioner som ansiktsigenkänning. Därifrån överförs data till högre, fler anslutna skal som möjliggör ytterligare dataintegration, och där kan vi se regioner i det verkställande nätverket och arbetsminnet. Med dessa områden kan vi till exempel fokusera på uppgiftsprestanda (bild 2, hierarkin i den mänskliga cortexen).

Den integrerade informationen "reser" sedan till det mest anslutna området av noder, kärnan, som sträcker sig över flera regioner i cortex. Enligt Lahav, "Det är ett sammankopplat kollektiv som är tätt kopplat till sig själv och kan utföra globala funktioner på grund av dess stora mängd globala strukturer som är utbredda i hjärnan." (Se figur 3, kärnan i den mänskliga cortexen.)

Vilken global funktion kan kärnan tjäna? Författarna föreslår att svaret inte är mindre än själva medvetandet.

"Kopplingen mellan hjärnaktivitet och medvetande är fortfarande ett stort mysterium, "säger Lahav. Huvudhypotesen idag är att för att skapa medveten aktivitet, hjärnan måste integrera relevant information från olika delar av nätverket. Enligt denna teori, ledd av professor Giulio Tononi, från University of Wisconsin, om integritetsnivån överskrider en viss gräns, en ny och framväxande stat träder in, medvetande. Denna modell tyder på att medvetandet beror på både informationsintegrering och informationssegregering. Löst talat, medvetandet genereras av en "central" nätverksstruktur med hög kapacitet för informationsintegration, med bidrag från undernät som innehåller specifik och segregerad information, utan att vara en del av den centrala strukturen. Med andra ord, vissa delar av hjärnan är mer involverade än andra i vad vi kan kalla det medvetna komplexet i hjärnan, ännu andra anslutna delar bidrar fortfarande, arbetar tyst utanför det medvetna komplexet.

Författarna visar hur kärnan och de olika skalen uppfyller alla kraven i dessa senaste medvetandeteorier. De olika skalen beräknar och bidrar till dataintegration utan att faktiskt vara en del av det medvetna komplexet, medan kärnan tar emot relevant information från alla andra hierarkier och integrerar den till en enhetlig funktion med hjälp av dess globala sammankopplade struktur. Kärnan kan således vara detta medvetna komplex, fungerar som en plattform för medvetande att komma ut ur nätverksaktiviteten.

När författarna undersökte de olika regionerna som utgör kärnan avslöjade de att, verkligen, dessa regioner har tidigare associerats med medvetna aktiviteter. Till exempel, strukturer inom hjärnans mittlinje, som utgör majoriteten av nätverkets kärna, befanns vara associerade med medvetenhetsströmmen och viss forskning, som professor Georg Northoff, från University of Ottawa, har föreslagit att dessa regioner är involverade i att skapa vår självkänsla.

"Nu måste vi använda denna analys på hela hjärnan och inte bara på cortex för att avslöja en mer exakt modell av hjärnans hierarki, och senare för att försöka förstå vad exakt är den neuronala dynamiken som leder till en sådan global integration och, i sista hand, medvetande, säger Lahav.

"Djupa frågor behöver ett djupgående svar som vanligtvis bara finns inom fysiken. Fysiken försöker avslöja de grundläggande naturlagarna genom att konstruera allmänna matematiska ekvationer som kan beskriva så många naturfenomen som möjligt. Dessa matematiska ekvationer avslöjar grundläggande aspekter av verkligheten. Om vi vill verkligen förstå vad medvetande är och hur hjärnan fungerar, vi måste utveckla de matematiska ekvationerna i vår hjärna och vårt medvetna sinne. Vi är inte där än, i själva verket är vi ganska långt ifrån detta mål, men jag tycker att detta borde vara vår 'heliga gral' och vi har redan påbörjat processen att komma dit, " han lägger till.