Как мозг координирует активность? Учёные обнаружили универсальный принцип от плодовых мух до обезьян

Новое исследование, опубликованное в журнале Cell, раскрывает, как нейроны координируют свою активность. Секрет мозга удивительно прост: каждая клетка тратит не более половины (и не менее 40%) своих усилий на индивидуальные задачи. Остальное уходит на масштабируемую командную работу.

Этот организационный принцип был обнаружен в мозге пяти видов, разделённых более чем миллиардом лет эволюции: плодовых мух, нематод, рыбок данио, мышей и обезьян. Это указывает на возможный фундаментальный принцип оптимизированной обработки информации.

Критическая золотая середина

Исследование разрешает давние споры: действуют ли нейроны как звёздные игроки (высокоспециализированные) или же они отдают приоритет командной работе? Анализ данных с помощью методов физики показал, что мозг делает и то, и другое.

Благодаря передовым методам, таким как кальциевая визуализация (calcium imaging), позволяющая одновременно записывать сигналы десятков тысяч клеток, учёные обнаружили, что мозговая активность разворачивается согласно фрактальной иерархии. Клетки работают вместе, создавая всё более крупные скоординированные сети, где каждый уровень зеркалит те, что выше и ниже. Примерно половина усилий нейронов уходит на "личную" производительность в рамках этой иерархии.

Мозг может быстро адаптироваться к изменениям

Вычислительное моделирование показало, что такая фрактальная иерархия оптимизирует поток информации в мозге. Она обеспечивает эффективность (минимальные ресурсы для задач) и устойчивость (сохранение функции при сбоях отдельных нейронов).

Эта организация позволяет разным стратегиям или "нейронным кодам" функционировать на разных масштабах:

• У рыбок данио движение зависит от множества нейронов, работающих в унисон, что обеспечивает плавное плавание в изменчивой среде.
• В зрении мыши адаптация происходит на клеточном уровне, обеспечивая точность для извлечения деталей из сцены.

Эволюционная устойчивость этого принципа (от беспозвоночных, чей общий предок жил миллиард лет назад, до позвоночных с общим предком 450 млн лет назад) говорит о том, что мозги эволюционировали для баланса эффективности и устойчивости.

Универсальный принцип?

Обнаруженное правило индивидуальной фокусировки и масштабируемой командной работы может быть универсальным решением не только для мозга. Когда элементы организованы в многоуровневые сети, ресурсы распределяются эффективно, а система становится устойчивой к сбоям. Это напоминает работу лучших бизнес-структур.