Echilibristică la graniţa dintre ordine şi haos

Notele familiare ale cântecului nostru favorit ajung la ureche şi, câteva momente mai târziu, un neuron se activează. Pentru că acest neuron este legat la o reţea de tip small world foarte conectată, semnalul se poate răspândi rapid în profunzime, provocând activarea unei cascade de alte celule. Teoretic, ar putea provoca chiar o avalanşă haotică, ce are potenţialul de a genera o criză în funcţionarea creierului.

Din fericire, şansele ca acest lucru să se întâmple sunt foarte mici. "Poate că 1 la sută din populaţie va experimenta o astfel de criză la un anumit moment al vieţii lor”, spune John Beggs de la Universitatea Indiana, Bloomington. Acest lucru sugerează că există un echilibru sănătos în creier – el trebuie să inhibe semnalele cerebrale îndeajuns de mult pentru a preveni un "potop" haotic, fără a opri totuşi întreg traficul informaţional.

Punctul de echilibru

O înţelegere a modului în care creierul atinge acel punct de echilibru a apărut în anii 1970, atunci când Jack Cowan, în prezent la Universitatea din Chicago, a realizat că acest echilibru reprezintă o stare cunoscută sub numele de punct critic sau "marginea haosului”, binecunoscută fizicienilor teoreticieni. Cascadele de neuroni activaţi – sau "avalanşele neuronale” – sunt momentele în care celulele cerebrale trec dincolo de acest punct critic, înainte de a se întoarce în zona de siguranţă, spune el.

Avalanşele, incendiile de pădure şi cutremurele de pământ rezultă, de asemenea, din sisteme care se află în puncte critice şi împărtăşesc toate anumite caracteristici matematice. Principala caracteristică este aşa-numita distribuţie după "legea puterii” (frecvenţa de apariţie a evenimentului este funcţie de puterea unor parametrii caracteristici evenimentului - n.tr.), care înseamnă că cutremurele de pământ sau incendiile de pădure mai mari au loc mai rar decât cele mai mici, conform unei raţii matematice stricte; un cutremur de pământ care este de 10 ori mai puternic decât alt cutremur are, de asemenea, de 10 ori mai puţine şanse să aibă loc, de exemplu.

Cum se comportă creierul? În 2003, Beggs si Dietmar Plenz, amândoi făcând parte la acel moment din Institutul Naţional pentru Sănătatea Mintală din Bethesda, Maryland, au verificat dacă activitatea neurologică are legătură cu teoria lui Cowan prin folosirea unui grup de electrozi aşezaţi într-o structură de tip reţea pe o bucată din cortexul unui şobolan. Desigur, ei au descoperit că un neuron excitat îşi transmite semnalul numai unui singur vecin în medie, lucru care este exact ce te-ai aştepta de la un sistem aflat pe marginea haosului: doar un pic mai mult şi sistemul s-ar afla într-o dezordine totală şi permanentă.

Este important să menţionăm că avalanşe neuronale mai mari au loc, dar ele sunt mult mai rare. Asemenea cutremurelor de pământ şi incendiilor de pădure, frecvenţa lor scade odată cu mărimea, conform raţiei precise prezise de o lege a puterii.

De la momentul lucrării iniţiale a lui Beggs, scanările ulterioare funcţionale, folosind metoda imagisticii prin rezonanţă magnetică, au sugerat că acelaşi model de activitate pe marginea haosului poate fi regăsit la scări mult mai mari, în tot creierul uman; într-adevăr, modelele pe calculator sugerează că ar putea fi un rezultat al structurii de tip small world din creier (New Scientist, 27 iunie 2009, p 34).

Balansarea pe marginea haosului ar putea părea riscantă, dar despre această stare critică se crede că este responsabilă cu generarea maximei flexibilităţi a creierului – accelerând transmiterea semnalelor şi permiţându-i să-şi coordoneze rapid activitatea în faţa unei situaţii schimbătoare. Unii dintre cercetători încep să se întrebe dacă nu cumva anumite boli ar putea apărea atunci când creierul se îndepărtează de acest echilibru delicat. "Există în prezent anumite dovezi care spun că oamenii care suferă de epilepsie nu se află în acest punct critic”, spune Beggs. "La fel cum există o rată a bătăilor inimii sănătoasă şi o tensiune arterială sănătoasă, acest punct ar putea fi ceea ce ai nevoie pentru un creier sănătos.”

http://www.newscientist.com/article/mg21729032.100-mind-maths-your-brain-teeters-on-the-edge-of-chaos.html