قد تكون سلسلة الخلايا العصبية أقرب إلى الانتقاء المحايد في التطور

اضغط على الصورة لرؤيتها بالحجم الطبيعي

“أنا آسف ، ولكن عقلك يعاني من الانهيارات” هو التشخيص الذي يجب أن يكون شيء. يجب أن يشمل العلاج ش. برنارد يحفر الخلايا العصبية من تحت أكوام من الناقلات العصبية. لسوء الحظ ، يعاني دماغ الجميع من الانهيارات الثلجية. في الواقع ، أنا يمكن بأمان تشخيص أي شخص لا يعاني من الانهيارات كما ميت. (وكنت تعتقد أن الحواجز التي تحول دون المدرسة العليا كانت ذهني؟)

الانهيار الجليدي في الدماغ صغير بشكل عام حدث غير واضح يؤدي إلى سلسلة هائلة من الخلايا العصبية نشاط. ويلاحظ حدوث هذه دون أي خارجي محفزات.

فلماذا تحدث؟ لقد كان يعتقد أن هذه الانهيارات الجليدية يجب أن تمنح نوعًا من المنفعة ، لكن الأبحاث الجديدة تشير إلى ذلك قد يكون مجرد حادث صاخبة.

لماذا تتالي الخلايا العصبية؟

على مستوى واحد ، تفسير الانهيارات الثلجية للمخ هو إلى حد ما بسيطة وتنوير جدا. الدماغ ليس خطيا – إذا كان حرائق الخلايا العصبية الصحيحة في الوقت المناسب ، يمكن أن تؤدي إلى أ استجابة غير متناسبة من الخلايا العصبية التي يرتبط بها. هذه أيضًا يمكن أن تؤدي إلى استجابة كبيرة ، مع سلسلة تتسع سريع ، بعيد ، وواسع. ولكن ، هذا التفسير ، في حين وجود الاستفادة من كونها صحيحة ، لا تخبرنا في الواقع كثيرا.

على سبيل المثال ، لا يخبرنا سبب السماح بهذه الأحداث أن يحدث. إذا كان جهاز الكمبيوتر الخاص بك قد فعل ذلك ، فسوف يتعطل. وهذا هو ممكن أن أجزاء من الدماغ لا تحطم أثناء سلسلة. أن يبدو وكأنه شيء سيء ، لذلك قد تتوقع أن الانهيارات الثلجية تقديم بعض المزايا. ربما تكون هناك حاجة لتعزيز حساب؟ ربما هم النتيجة غير المرغوب فيها ل تشغيل الدماغ في وقت يكون فيه التعلم بأسرع سرعة ممكن؟

كان هناك اثنين من النهج العامة التي اتخذت لمعرفة ذلك ما وراء هذه الظاهرة. هناك أناس يعرفون فعلا ما يشبه الخلايا العصبية ويمكن أن يميز الدماغ بنجاح الأنسجة من نخب المحترقة مرتين من أصل ثلاثة. انهم التحقيق تتالي الخلايا العصبية عن طريق دراسة كيفية عمل الدماغ في الواقع. الفيزيائيون لا يفعلون ولا يستطيعون ، لذلك يصنعون نماذج رياضية في حين أن. يتم اختبار هذه النماذج على نطاق واسع تحت جميع أنواع الظروف. (هذا النوع من التحقيق يمثل وفورات كبيرة في الخبز المحمص.)

هذه النماذج تحمل نفس التشابه في المخ و الخلايا العصبية كما يفعل دراجتي إلى طائر القطرس. الجميع ، بما في ذلك علماء الفيزياء ، يعرف هذا ، فلماذا يعتقدون أن النمذجة ستنجح؟ حسنا ، إنهم يحاولون فهم أسئلة أوسع حول السلوك العام للدماغ كشبكة. وهذه الأسئلة يمكن يتم الرد باستخدام النماذج التي هي حقا ظلال حقيقية شيء.

لماذا هذه النماذج تعمل

ثقتنا في هذه النماذج البسيطة نسبيا تعود إلى فيزياء الحالة الصلبة وفكرة المرحلة الانتقالية. مرحلة التحولات هي أشياء مثل ذوبان الجليد في الماء السائل ، أو مغناطيس يفقد مغنطيسيته أثناء تسخينه. التحولات المرحلة هي ، جسديا ، كل شيء مختلف جدا عن بعضها البعض. بعد الرياضيات الذي يصف الطريقة التي يحدث بها انتقال المرحلة لديه أمر غريب تشابه تلك الأمثلة. جزءا لا يتجزأ من هذا هو فكرة أ نقطة حرجة. على جانب واحد من النقطة الحرجة ، والمواد يتصرف بطريقة واحدة ؛ على الجانب الآخر ، تتصرف المادة آخر.

اتضح أن هذه الفكرة أوسع بكثير من هذا النوع من الانتقال: جميع أنواع الأشياء ، مثل الصنابير نازف والحيوان السكان ، التفاعلات الكيميائية ، سلوك الأسواق ، والكثير أكثر من ذلك ، بدا أنه قابل للتحليل نفسه. ونعم يتم تضمين الدماغ في ذلك. الصرع ، على سبيل المثال ، يبدو أن يكون وصفها جيدا من قبل هذه النماذج.

لذلك دعونا نعيد هذا إلى الانهيارات العصبية. هذا النوع من السلوك مشابه جدا لسلوك ، على سبيل المثال ، اتجاه الدوران المغناطيسي خلال المرحلة المغنطيسية انتقال. لكن الانهيارات العصبية تحدث بشكل متكرر نسبيا ، مما يعني أن الدماغ يعمل بالقرب من نقطة حرجة. وقد اقترح الباحثون أن الكفاءة الحسابية لل يتم تعزيز الدماغ عن طريق العمل بالقرب من النقطة الحرجة ، والتي من شأنها يعني أنه ميزة التكيف.

لكن هناك فكرة في النظرية التطورية تخبرنا بذلك ليست كل السمات موجودة لأنها توفر فائدة. بعض الصفات تنتهي في مكانها بسبب الانجراف وغيرها لأنهم الآثار الجانبية لشيء مفيد. اتضح أن هذا المفهوم يمكن كلاهما يصف فائدة الانهيارات العصبية وكذلك كيف انتهى الأمر ليكون سمة من سمات العقول في المقام الأول.

الآن ، ما يلي هو عالم فيزيائي يتحدث عن التطور ؛ أولئك مع النفور من إساءة استخدام البيولوجيا يجب أن ننظر بعيدا الآن. كان صادمة للغاية بالنسبة لي لمعرفة أن العديد من الصفات لم يتم تحديد مع أو ضد عن طريق الانتقاء الطبيعي ولكن يمكن أن تنشأ عن غير قصد. في حين أن بعض الطفرات مفيدة ، والبعض الآخر سيء ، معظمها لا تتسبب في حدوث تغيير كبير بما فيه الكفاية – فهي محايدة. قد تنتشر التغييرات المحايدة في عدد السكان لأنها مرتبط بطريق الخطأ بشيء تم تحديده لـ. محايد يمكن أن ينتهي الأمر أيضًا بالانتشار بنفس الطريقة التي يحدث بها انهيار جليدي يحدث: يحدث أن يكون في المكان المناسب في الوقت المناسب. ال نشير إلى أن الصفات المحايدة في علم الوراثة تظهر السكان ديناميات كل شيء معقد مثل ظواهر النقطة الحرجة ولكن دون أي نقاط حرجة.

إذا استطعنا الحصول على هذا النوع من السلوك في علم الوراثة السكانية دون أن نكون قريبين من نقطة حرجة ، ربما نرى بالضبط نفس الشيء في الدماغ مع شلالات الخلايا العصبية؟

باستخدام نموذج مقبول جيدا من الخلايا العصبية ، متصلا كجزء من شبكة عصبية ، حاول الباحثون تحديد ما إذا كانت العصبية يمكن وصف الانهيارات الثلجية بالسلوك المحايد. وهذا هو حيث قوة النماذج تأتي في حد ذاتها. المعلمات النموذج معروفة جيدا ، ويمكن اكتشاف النقاط الحرجة و تتميز بدقة. ثم ، يصبح من الممكن التسويقي أنواع مختلفة من السلوك ينظر ، وهذا يتوقف على كيفية الخلايا العصبية ترتبط والعتبة عندما سوف تطلق الخلايا العصبية في استجابة للخلايا العصبية الأخرى. هذا هو بالضبط نوع التجربة هذا بجانب المستحيل عند اللعب بالخلايا العصبية الحقيقية.

ليس كل شيء على ما يرام مع النماذج

على وجه الخصوص ، اختار الباحثون الإعدادات التي كان عليه المعروف أن الشبكة العصبية كان لها تحول متقطع بين حالة نشطة للغاية (الكثير من الخلايا العصبية التي تطلق النار في كثير من الأحيان) و حالة نشاط منخفضة (الكثير من الخلايا العصبية التي تطلق بشكل غير منتظم). في ال حالة نشطة ، شلالات أو الانهيارات الجليدية قد لوحظ من قبل الآخرين الباحثين ، ونشاط الشبكة يتفق مع السلوك لوحظ في أدمغة حقيقية.

استخدم هذا التحليل خدعة لا يمكن استخدامها بشكل حقيقي الملاحظات. بحث الباحثون البيانات الحسابية ل تحديد الخلايا العصبية التي تسببت في الانهيار ، ومن هناك ، تتبع سلسلة النشاط لتحديد أشياء مثل المدة وحجم الانهيار. في قياس حقيقي ، أنت لا تعرف أبدا ما هي الخلايا العصبية التي تسببت في الانهيار الجليدي – بدلاً من ذلك ، عليك نوعًا ما إطلاق مجموعة الخلايا العصبية بواسطة الوقت واستخدام القرب الزمني لتحديد التي تسببت الخلايا العصبية التي لإطلاق النار.

إذا قمت بذلك مع البيانات الحسابية ، ومع ذلك ، فإن الانهيارات الثلجية من الخلايا العصبية النموذجية لا تشبه تلك الحقيقية العقول. هذا يبدو سيئًا إذا كنت ترغب في عمل تنبؤات. وبالتالي ليس من الواضح ما إذا كانت المعلومات الأخرى التي نتخلص منها النموذج الحسابي مناسب.

ولتجاوز ذلك ، طور الباحثون نموذجًا مبسطًا التي لديها العديد من الميزات المرغوب فيها. اعتمادا على المعلمات ، كان لديه مرحلة انتقالية غير متجانسة (لذلك قفزة مفاجئة من حالة نشطة إلى حالة هادئة) ، ومرحلة مستمرة الانتقال (يتغير معدل النشاط بسلاسة من حالة إلى أخرى آخر ، ولكن معدل التغيير يسجل قفزة مفاجئة).

وبطبيعة الحال ، على مقربة من التحولات المرحلة ، العصبية وأظهرت شبكة cascades.لكن ، والأهم من ذلك ، الشبكة لديه تتالي حتى عندما لا يكون هناك انتقال المرحلة القريبة.

النظر في المزايا التي نسبت إلى الدماغ تعمل بالقرب من نقطة حرجة ، هل تعمل في محايد الأراضي لديها أي مزايا؟ يقدم الباحثون بعض المضاربة على طول هذه الخطوط. على سبيل المثال ، الترتيب و شدة الخلايا العصبية التي تطلق النار على شبكة يمكن ترميز معلومات. التكهن الباحثون أن الانهيارات المحايدة ، لأنها سببية (على سبيل المثال ، كل خلية عصبية تؤدي إلى إطلاق النار على الآخرين بعد أن أطلقوا النار) ، يمكن أن توفر مصدر لالأولي نشاط الإطلاق الذي يمكن أن يرتبط بـ ، ويرمز ، معلومات.

ولكن ، بصراحة ، هذا هو المكان الذي تسير فيه الأمور بشكل خاطئ. النموذج ، على طول مع الآخرين مثل ذلك ، يقدم نظرة ثاقبة كبيرة في إحصاءات سلوك الشبكة. لسوء الحظ ، ربط ذلك بالواقعية الأنشطة ، مثل التعرف على الوجه أو إضافة رقمين ، هي أكثر ضعفا إلى حد ما. القوة هنا هي أن البحث قد أقترح بعض الطرق الجديدة لفهم كيفية تعلم الدماغ. Butحتى لو كان الأمر كذلك ، فسيكون من الصعب ربط البحث بالواقع الخلايا العصبية العودة إلى النماذج.

Physical Review X، 2017، DOI: 10.1103 / PhysRevX.7.041071