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脑结构竟然像冰水转换一样？新研究揭示大脑的分形特性
西北大学的一项研究发现，大脑的结构特征处于一种类似于“临界点”的状态，或者说接近一种结构相变的临界点。更让人惊讶的是，这一发现在人类、老鼠和果蝇的大脑中都是一致的，这意味着这种现象可能是普遍存在的。
我们先来聊聊什么是“临界点”。想象一下，当你加热一块磁铁到某个温度时，它会失去磁性，这个时候就是达到了所谓的“临界点”。在这个点上，物理对象正在平滑地从一个相态过渡到另一个相态。而现在，研究人员发现，大脑的结构特征似乎也处在这样的临界点附近。
在人类皮层数据集的一小块区域中对选定的神经元进行3D重建。图片来源：哈佛大学/谷歌
研究的主要负责人，西北大学的伊斯特万·科瓦奇（IstvánKovács）表示：“人脑是已知最复杂的系统之一，很多关于其结构的细节我们还不完全理解。虽然很多研究者已经从神经元动态的角度研究了大脑的临界性，但我们是从结构层面来研究，希望最终能理解这种结构如何支持大脑的复杂动态。”
简单来说，大脑的动态和硬件是紧密相关的，这和电脑里任何软件都可以在同一硬件上运行的情况不同。
来自每个果蝇、小鼠和人类数据集的单个神经元重建示例。（不按比例）。图片来源：西北大学
那么，大脑的结构到底是怎么个临界法呢？西北大学的海伦·安塞尔（HelenAnsell）解释道：“大脑在细胞层面的结构似乎接近一种相变临界点。就像冰融化成水一样，虽然还是水分子，但它们正在从固态过渡到液态。当然，我们并不是说大脑在融化，只是说我们还不清楚大脑可能在什么两个相态之间过渡。”
从人类皮层数据集中选定神经元的快照，使用在线neuroglancer平台查看。图片来源：哈佛大学/谷歌
研究团队利用公开的3D大脑重建数据，分析了人类、果蝇和老鼠的大脑结构。通过观察纳米级分辨率的大脑样本，研究人员发现这些样本展示了与临界性相关的物理特性。其中一个显著特性就是神经元的分形结构。
分形结构是什么呢？简单来说，就是当你放大观察一个物体时，小部分的结构和整体结构非常相似。大脑细胞在不同尺度上排列成一种分形的统计模式，这种自相似性和广泛的尺寸分布都是临界状态的特征。
在人类皮层数据集的一小块区域中对选定的神经元进行3D重建。图片来源：哈佛大学/谷歌
科瓦奇解释道：“自相似性、长程相关性和广泛的尺寸分布都是临界状态的标志，这些特征既不太有序也不太随机。”这些观察结果引出了描述这些结构特征的一组临界指数。
这项研究不仅让我们对大脑的复杂性有了新的理解，也可能为未来设计新的大脑计算模型提供了新的思路。虽然我们还不完全理解大脑在什么相态之间过渡，但这项研究无疑为我们打开了一扇新的大门，让我们离揭开大脑的神秘面纱又近了一步。
所以，下次当你思考自己的大脑时，不妨想象一下它就像冰水转换一样，处在一种神秘的临界状态。是不是觉得自己脑袋里的世界更神奇了呢？
来自：科学剃刀
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快照生成时间：2024-06-14 11:45:08
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