Beyin kendisini kritikliğe ayarlayarak bilgi işlemeyi en üst düzeye çıkarıyor

Kritiklik, sağlam beyindeki normal işleyen sinir ağlarının bir özelliği.

Araştırmacılar uzun süre beyindeki milyarlarca bağımsız nöronun nasıl bir araya geldiğini ve en gelişmiş bilgisayarları kolayca yenebilecek bir biyolojik makine üretmeyi nasıl merak ettiklerini merak ediyorlardı. Bu küçük etkileşimlerin tümü, etkileyici bir hesaplama kapasitesini garanti eden bir şeye bağlı görünüyor.

Geçtiğimiz 20 yıl boyunca, beynin bir faz geçişine benzer şekilde, düzensizliğe bürünmeden olabildiğince heyecan verici olduğu bir noktaya ayarlandığı teorisini destekleyen kanıtlar bir araya getirildi. Bu kritiklik hipotezi, beynin sessizlik ve kaos arasındaki ince çizgide bulunduğunu iddia eder. Tam olarak bu noktada bilgi işlem en üst düzeye çıkarılmıştır.

St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nden yeni bir araştırma, serbestçe davranan hayvanların beynindeki uzun süredir devam eden bu öngörüyü doğrudan doğrulamakta.

Sanat ve Bilim biyoloji profesörü yardımcısı ve 7 Ekim’de yayınlanan Neuron dergisinde yayınlanan yeni makalenin baş yazarı Keith Hengen, “Nöronlar birleştiğinde aktif bir şekilde kritik bir rejim ararlar” dedi. “Yeni çalışmamız, eleştiriye olan teorik ilginin çoğunu doğrular ve eleştirinin normal işleyen ağların bir işareti olduğunu gösterir.”

Hengen, “Modellerimizde, geçmişe bakıldığında, daha büyük ağın organizasyonunu düzenlemeye iyi hazır bir engelleyici nöronlar popülasyonu tarafından hesaba katıldığına şaşırdık” dedi.

Kritikliğin doğrudan bir gözlemi

Kritiklik, tanımı, hafıza, dinamik aralık ve karmaşık kalıpları kodlama ve iletme yeteneği gibi bilgi işlemeyi optimize eden tek bilinen hesaplama rejimidir.

Teorik fizikçiler başlangıçta beynin kritik olabileceğini öne sürdüler. Sinirbilimciler karışık bir tepki gösterdi.

Hengen, “Kritiklik konusunda sağlam bir teorik çalışma ve baharat ekleyen bazı eğlenceli tartışmalar var” “Bu tartışmanın iki yerden geldiğini düşünüyorum. İlk olarak, in vivo çalışmaların çoğu büyük ölçüde tanımlayıcı olmuştur, çünkü bu veri kümelerinin toplanmasının zor olduğunu ve analiz edilmesi zor olduğunu düşünüyorum.”

Hengen, “İkincisi, eleştirelliği ölçmek için kullandıkları matematikle ilgili oldukça fazla tartışma var,” “Son zamanlarda insanlar rastgele gürültü çıkaran basit güç yasalarını ölçmekten kaçındılar ve üs ilişkisi olarak adlandırılan bir şeye bakmaya başladılar. Şimdiye kadar bu, kritikliğin tek gerçek imzası ve tüm ölçümlerimizin temeli.”

Araştırma, Hengen’in Brandeis Üniversitesi’nde topladığı serbest davranan farelerin nöronal kayıtlarından elde edilen verilere dayanıyor. Hengen o zamandan beri Washington Üniversitesinde kendi laboratuvarını kurdu ve kendi nöronal kayıtlarını - aylarca ve yüzlerce nöronu kapsayan - kayıtlarını topluyor.

Bu tür kayıtlar olağanüstü derecede veri yoğunudur ve teknik olarak zordur.

Kritiklik bozuluyor, sonra yeniden ortaya çıkıyor

Nöronların aktivitesini bir haftadan fazla bir süre boyunca sürekli izleyebilme yeteneklerinden faydalanan araştırmacılar, ilk olarak görsel kortekste ağ dinamiklerini, aydınlık ve karanlık çevrimlerde bile kritik bir şekilde belirlediklerini doğruladılar.

Daha sonra, bir göze vizyonu engelleyerek, araştırmacılar, manipülasyonun bireysel nöronların ateşlenme oranlarını etkilemesinden bir gün önce, kritikliğin ciddi şekilde bozulduğunu ortaya çıkardı.

Yirmi dört saat sonra, kayıtlarda kritiklik yeniden ortaya çıktı - bu noktada bireysel nöronlar görsel yoksunluk tarafından bastırıldı.

Hengen, “Bu, hayvanın beklediği ile o bakışta neler yaşadığı arasında bir uyumsuzluk olur olmaz, hesaplama dinamiği parçalanıyor” dedi.

“Bu, kritik rejimin atış hızından bağımsız olduğu teorik fizikle tutarlı” dedi. “Ağdaki toplam sivri sayısıyla ilgili değil, çünkü atış hızı yoksunluğun çok erken bir döneminde hiç değişmedi - ve yine de rejim dağıldı.”

Araştırmacılar beyindeki kritikliğin muhtemelen hesaplama dinamiklerini zorla kabul eden ve organize eden inhibitör nöronlarla bağlantılı olduğuna inanıyor.

Aktif olarak ayarlama

Bulguların motor öğrenme ve hastalık için önemli etkileri olabilir. Beynin kritiklik etrafında kendini örgütlemesi aktif bir süreçtir, Hengen, ve bozulmuş homeostatik düzenlemenin, Alzheimer’in, epilepsi, Rett Sendromu, otizm ve şizofreni gibi ciddi insan patolojilerinde giderek daha fazla yer aldığını belirtti.

Hengen, “Bu çalışmanın bir yorumu, kritikliğin beyindeki ağlar için homeostatik bir son amaç olduğu”