Галстук-бабочка, представляющая сеть связей между корковыми областями головного мозга
Статья, опубликованная в специальном выпуске журнала Science, предлагает новое понимание архитектуры мозга с использованием сетевого представления связей в коре головного мозга приматов. Золтан Торочкай, профессор физики в Университете Нотр-Дам и содиректор Междисциплинарного центра сетевых наук и приложений, является соавтором статьи "Кортикальные противоточные архитектуры высокой плотности."
Используя согласованные данные трассеров, охватывающие весь мозг, исследователи описывают кору головного мозга как сеть связей с "галстук-бабочка" структура, характеризующаяся высокоэффективным плотным сердечником, соединяющимся с "крылья" путей прямой связи и обратной связи с остальной частью коры (периферия). Местные цепи, доходящие с точностью до 2.5 миллиметров и занимая более 70 процентов всех связей в коре макака, интегрированы в областях с различными функциональными модальностями (соматосенсорными, моторными, когнитивными) со средними и дальними проекциями.
Авторы также сообщают о простой сетевой модели, которая включает в себя физический принцип энтропийной стоимости длинных проводных соединений и пространственное расположение функциональных областей в коре головного мозга. Они показывают, что эта модель воспроизводит свойства данных о связности в экспериментах, включая структуру галстука-бабочки. Крылья галстука-бабочки возникают в результате противотока организации путей прямой связи и обратной связи. Они также демонстрируют, что, вопреки предыдущим убеждениям, такие высокоплотные кортикальные графы могут одновременно обеспечить сильную связь (почти прямую между любыми двумя областями), эффективность связи и экономию соединений (показанную путем оптимизации общей стоимости проводов) за счет корреляции веса и расстояния. которые также являются следствиями этой простой сетевой модели.
Такое расположение галстука-бабочки – типичная особенность самоорганизующихся систем обработки информации. В документе отмечается, что кора головного мозга имеет некоторые аналогии с сетями обработки информации, такими как Всемирная паутина, а также метаболизм, иммунная система и передача сигналов клеток. Они говорят, что структура галстука-бабочки ядро-периферия "эволюционно предпочтительная структура для большого количества сложных сетей" потому что "эти системы не находятся в термодинамическом равновесии и необходимы для поддержания потока энергии и вещества через систему." Однако мозг также показывает важные отличия от таких систем. Например, адреса назначения кодируются в информационных пакетах, отправляемых по Интернету, в отличие от мозга, а местоположение и время активности являются критическими факторами обработки информации в мозгу, в отличие от Интернета.
"Биологические данные чрезвычайно сложны и разнообразны," Торочкай сказал. "Однако как физика меня интересует, что является общим или инвариантным в данных, потому что это может раскрыть фундаментальный организационный принцип, лежащий в основе сложной системы. Минимальная теория, включающая такой принцип, должна воспроизводить наблюдения, если не во всех деталях, но в степени. Я считаю, что с дополнительными согласованными данными, полученными командой Кеннеди, фундаментальные принципы массовой обработки информации в нейронных сетях мозга становятся доступными."