Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Chová se mozek podobně jako spinová skla?

Neuronové sítě, v nichž jsou všechny neurony v činnosti (firing) nebo v nečinnosti (not firing), se podobají magnetickým materiálům, v nichž všechny spiny ukazují „nahoru“ nebo „dolů“

Spinová skla mohou poskytnout důležitý pohled na stavy nízké a vysoké mozkové aktivity, které byly pozorovány u savců. Tvrdí to tým španělských teoretických biofyziků. Ten jako první ukázal, že neuspořádané stavy podobné těm, které se vyskytují ve spinových sklech, by mohly mít funkční roli také v živém mozku.

Co jsou to vlastně spinová skla? V prvé řadě nejsou skleněná. Nejde o žádné křemičitany, ale o kovové slitiny, například železa a manganu. Struktura látky je celkově pravidelná, neexistuje však pravidelnost v rozmístění jednotlivých typů atomů. U spinových skel jsou pozoruhodné hlavně jejich magnetické vlastnosti. Z medicíny si fyzikové vypůjčili termín „frustrace“, aby tím vyjádřili určitou nespokojenost této látky sama se sebou. Ve spinovém skle totiž neexistuje žádné uspořádání, které by vyhovovalo všem atomům, a tedy mělo nejnižší možnou energii. Neschopnost spinového skla dosáhnout jednoznačného rovnovážného stavu fyzici označili právě jako „frustraci“.

Ve známých magnetických materiálech, jako jsou feromagnetika, způsobuje interakce mezi jednotlivými spinovými magnetickými momenty to, že všechny spiny ukazují ve stejném směru magnetizace. To však neplatí pro spinová skla: interakce mezi spiny nezpůsobuje, že by jednotlivé spiny ukazovaly ve stejném směru jako spin sousední. Vzniká tak „frustrace“, v důsledku které neexistuje směr magnetizace a spiny ukazují ve zcela náhodných směrech.

Mozek nepředstavuje magnetický systém a jeho pracovní buňky, neurony, nevykazují magnetické momenty, matematicky se však chovají podobně. I neurony totiž mají binární proměnnou, „v činnosti“ nebo „v nečinnosti“, která je podobná kvantovým stavům spinu „nahoru“ nebo „dolů“. Neurony jsou také spojeny synapsemi způsobem podobným vzájemnému působení magnetických spinů. Výsledkem je, že se neuronové sítě, v nichž jsou všechny neurony v činnosti (firing) nebo v nečinnosti (not firing), podobají magnetickým materiálům, v nichž všechny spiny ukazují „nahoru“ nebo „dolů“.

Paměť v našem mozku utvářejí systémy neuronové aktivity zakódované pevností synapsí. Synapse mohou být buď excitační, které upřednostňují přenos informací, nebo inhibiční, které znemožňují přenos a liší se silou spojení. Když je paměť aktivována, v systémech, které jsou vytvářeny těmito synaptickými spojeními, jsou neurony v činnosti, nebo zůstávají v klidu.

Matematické modely vyvolání paměti jsou založeny na simulaci binárních neuronů spojených propojeními různé síly. V těchto neurologických modelech jsou paměti vytvářeny stejně jako v reálném mozku, tedy jako oblasti binární aktivity zakódované do spojení nebo přerušování různé intenzity. V modelech se objevují neuspořádané stavy připomínající spinová skla, když se počet uložených oblastí a velikost sítě (počet uložených pamětí) blíží nekonečnu. Jde v podstatě o frustrovaný stav zamrzlé neuronové aktivity.

Předcházející modely však přesně nepopisovaly rovnováhu konfigurací synapsí, které byly nalezeny v mozku. Obecně totiž předpokládaly rovnováhu excitačních a inhibičních synapsí s podobnou intenzitou. Biofyzici z Granady však tvrdí, že v mozku existují heterogenity a současně i rovnováha. 80 % synapsí představují synapse excitační a 20 % synapse inhibiční. Inhibiční synapse jsou přitom silnější než excitační, takže existuje určitý druh rovnováhy, která zachovává heterogenitu v mozku v optimálním rozsahu.

Tento poznatek španělští biofyzici také zabudovali do nového modelu. Použitím realističtější rovnováhy excitačních a inhibičních synapsí a jejich intenzit zjistili, že při nízké „teplotě“ se neuspořádané stavy s chováním spinových skel objevují přirozeně, dokonce i když se zúčastní jen několik málo pamětí. Pak nemusí velikost sítě dosahovat nekonečna. Vědci také matematicky prokázali, že tyto stavy nejsou spojeny s vyvoláváním paměti, a jsou dokonce schopni měřit, jak daleko jsou od paměti. Pokud se dosáhne paměti, vyjde hodnota přibližně jedna a to znamená, že paměť byla obnovena. Pokud se udělá stejné měření pro spinová skla, vyjde nulová hodnota.

Z výsledků také vyplývá, že frustrované stavy jsou spojeny s relativně vysokou nebo nízkou aktivitou mozku – na rozdíl od vyvolání z paměti – a korelují s dobře známými stavy „nahoru“ a „dolů“, které byly popisovány v neuronových modelech a pozorovány v mozkové aktivitě savců.

Španělský tým tak teoreticky i pomocí simulací prokázal, že stavy „nahoru“ a „dolů“ pozorované v mozkové aktivitě savců by mohly být projevem stavů podobných spinovým sklům. Tyto stavy spinových skel jsou způsobeny heterogenitou, která se pozoruje v intenzitě mozkových synapsí, jež balancuje mezi excitací a inhibicí.

Původní práce byla uveřejněna v Neural Networks.


Mohlo by vás zajímat:

Molekulární motory pohánějí kapalinu v metrovém potrubí
Nejrychlejší elektronický přepínač
Nový materiál, který odolává vodě
Vědci prokázali existenci nové kvazičástice

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu