Мозг состоит из миллиардов нейронов, соединенных плотной сетью нервных волокон — так называемым коннектомом. Эта структура относительно стабильна и служит своеобразной «дорожной сетью» для передачи сигналов. Однако разные участки мозга работают в разном темпе. Например, зоны, которые отвечают за обработку зрительной и слуховой информации, реагируют практически мгновенно, тогда как области, связанные со сложным мышлением и принятием решений, занимаются анализом информацию значительно дольше. Эти характерные скорости называются внутренними нейронными временными шкалами.
Традиционные математические модели работы мозга исходили из упрощенного допущения, согласно которому все области функционируют с одинаковой скоростью. Это облегчало расчеты, но биологической реальности никак не соответствовало. Джейсон Ким и Линден Паркс с коллегами из Корнеллского и Ратгерского университетов разработали новую модель, которая учитывает индивидуальную скорость работы каждой зоны. Используя данные проекта Human Connectome Project, включающего сканы мозга сотен молодых людей, ученые создали алгоритм, определяющий, как быстро затухает активность в разных участках мозга.
Результаты оказались впечатляющими. Модель с переменными временными шкалами требовала значительно меньше энергии для симуляции переходов между состояниями мозга по сравнению со стандартной моделью. Это подтверждает, что мозг эволюционно настроен использовать разницу в скоростях работы своих областей для экономии метаболических затрат на мышление.
Чтобы подтвердить биологическую достоверность модели, ученые сопоставили ее результаты с данными о генной экспрессии из Атласа человеческого мозга Аллена. Области, которые модель определила как быстрые, действительно содержали больше маркеров клеток, связанных с быстрой передачей сигналов. Медленные зоны, напротив, были богаты маркерами клеток, отвечающих за более длительные регуляторные процессы. Примечательно, что аналогичные закономерности обнаружились и при анализе мозга мышей, что указывает на фундаментальный принцип организации мозга млекопитающих, который сохранился в процессе эволюции.
Практическое значение открытия подтвердилось при анализе индивидуальных различий между участниками исследования. Люди, у которых временные шкалы мозга лучше согласовывались со структурой связей, демонстрировали более высокие результаты в тестах на подвижный интеллект и пространственную ориентацию. В перспективе этот подход может помочь в изучении психических и неврологических расстройств, которые, возможно, связаны с рассогласованием между физической структурой мозга и скоростью его работы.
Ранее ученые объяснили, почему мышление нельзя свести к компьютерному коду.
