Работа человеческого мозга визуализируется в виде фракталов

Ученые показали, как работают мозговые сети человека. Они похожи на фракталы — повторяющиеся структуры, которые усложняются и позволяют человеку понять, что же происходит в истории или о чем поется в песне. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

В геометрии фракталы — это формы, которые кажутся похожими в разных масштабах. Внутри фрактала формы и узоры повторяются бесконечным образом: например, спирали, состоящие из меньших спиралей, которые, в свою очередь, состоят из еще меньших спиралей. Новое исследование показывает, что мозговые сети организованы аналогичным образом — паттерны мозговых взаимодействий отражаются одновременно в разных масштабах. Когда люди погружаются в сложные мысли, их сети, похоже, спонтанно организуются во фрактальные структуры. А если человек с мысли сбивается, то фрактальные паттерны смешиваются и теряют свою целостность.

Исследователи разработали математическую схему, которая определяет сходства в сетевых взаимодействиях в разных масштабах («порядках»). Паттерном «нулевого порядка» команда назвала случай, когда структуры мозга не демонстрируют каких-либо последовательных паттернов взаимодействия. Когда отдельные пары структур мозга взаимодействуют, это называется паттерном «первого порядка». Паттерны «второго порядка» относятся к аналогичным паттернам взаимодействий в разных наборах структур мозга в разных масштабах. Когда паттерны взаимодействия становятся фрактальными («первого порядка» или выше), порядок обозначает количество повторений паттернов

Когда добровольцы слушали 10-минутную аудиозапись, их мозговые сети выстраивались в паттерны четвертого порядка. Однако эта организация была нарушена, когда ученые дали людям послушать измененные версии записи. Аналогично, когда абзацы в тексте были случайным образом перетасованы, из-за чего терялся общий смысл истории, мозговые сети людей отображали только паттерны второго порядка. А когда все слова в тексте были перемешаны, остались только паттерны нулевого порядка. «Поскольку нарушения в этих фрактальных паттернах, по-видимому, связаны с тем, насколько хорошо люди могут понять смысл истории, это открытие может дать ключ к пониманию, как наши мозговые структуры работают вместе, чтобы понять, что происходит в повествовании», — говорит Люси Оуэн, одна из авторов исследования из Дартмутского университета (США).

Команда изучила, какие структуры мозга взаимодействовали при формировании фрактальных паттернов. Взаимодействия наименьшего масштаба (первого порядка) происходили в областях мозга, отвечающих за необработанные звуки. Взаимодействия второго порядка связывали эти необработанные звуки с областями обработки речи, а взаимодействия третьего порядка — области звука и речи с сетью областей визуальной обработки. Самые масштабные (четвертого порядка) взаимодействия соединяли слуховые и зрительные сенсорные сети со структурами мозга, которые поддерживают мышление высшего уровня. Все это показывает, как человеческий мозг справляется с необработанной сенсорной информацией — от необработанных звуков до речи, визуализации и полного понимания.

Видео по теме