1999 년, Bak 당 덴마크 물리학자는 신경 과학자 그룹 에게이 분야가 어디에서 잘못되었는지 결정하는 데 10 분 밖에 걸리지 않았다고 선언했습니다. 아마도 뇌는 생각했던 것보다 덜 복잡했을 것이라고 그는 말했다. 아마도 그는 뇌가 간단한 모래 더미와 동일한 기본 원칙을 다루었으며, 이는 다양한 크기의 눈사태가 전체 시스템을 전체적으로 안정적으로 유지하는 데 도움이됩니다.
다른 분야의 과학자들이 뇌의 질서와 사고 능력이 뉴런의 무질서한 전기 활동에서 자발적으로 발생한다는 Bak의 대담한 아이디어 인 Bak의 대담한 아이디어 인 Bak의 대담한 아이디어 인 Alk-it-it-it-it-it-it-it- 물리학자를 좋아하는 것처럼, 즉각적인 수용에 충족시키지 못했습니다.
.그러나 시간이 지남에 따라 Bak의 급진적 인 주장은 합법적 인 과학적 징계로 성장했습니다. 이제 전세계 약 150 명의 과학자들이 뇌에서 소위 "중요한"현상을 조사합니다. 그러한 연구에 전념하는 저널을 찾기위한 지속적인 노력을 추가하면 징계 경계의 변두리에서 주류로 이동하는 분야의 모든 특징이 있습니다.
.1980 년대에 Bak은 먼저 자연에서 볼 수있는 절묘한 순서가 물질의 빌딩 블록을 구성하는 무질서한 입자 혼합에서 어떻게 발생하는지 궁금해했습니다. 그는 위상 전이에서 답을 찾았으며,이 과정은 물질이 한 단계에서 물질의 단계에서 다른 단계로 변형되는 과정을 발견했습니다. 물이 증기로 증발하거나 점진적으로 물질이 초전도가되는 것처럼 변화가 갑자기 갑자기 될 수 있습니다. 시스템이 한 단계와 다른 단계 사이의 절반에있을 때 정확한 전환의 순간을 임계점 또는 더 구어 적으로 "팁 포인트"라고합니다.
.고전적인 위상 전이는 정확한 튜닝으로 알려진 것을 필요로합니다. 증기로 물을 증발시키는 경우 온도와 압력이 올바른 경우에만 중요한 점에 도달 할 수 있습니다. 그러나 Bak은 시스템의 요소들 사이의 단순하고 국소적인 상호 작용이 그 임계점에 자발적으로 도달 할 수있는 수단을 제안했습니다. 따라서 자체 조직화 된 중요성이라는 용어
모래 모래 모래 모래구에서 바닥까지 모래가 흐르는 것을 생각해보십시오. 곡물에 의한 곡물, 모래가 축적됩니다. 결국, 성장하는 더미는 너무 불안정한 지점에 도달하여 다음 곡물이 떨어지는 곡물로 인해 눈사태로 붕괴 될 수 있습니다. 붕괴가 발생하면베이스가 넓어지고 모래가 다시 쌓이기 시작합니다. 마운드가 다시 한 번 중요한 지점과 설립자를 때릴 때까지. 수백만 개의 작은 요소의 복잡한 시스템 인 모래 더미가 전반적인 안정성을 유지한다는 것은 다양한 크기 의이 일련의 눈사태를 통해
이 작은 불안정성은 역설적으로 모래 파일을 안정적으로 유지하지만, 파일이 중요한 지점에 도달하면 다음 곡물이 떨어질 곡물이 눈사태를 유발할 것인지 또는 주어진 눈사태가 얼마나 큰지 알 수있는 방법이 없습니다. 확실히 말할 수있는 것은 전력법으로 알려진 것을 따르는 작은 눈사태보다 큰 눈사태보다 더 자주 발생한다는 것입니다.
Bak은 지난 30 년간 가장 인용 된 물리학 논문 중 하나 인 랜드 마크 1987 논문에서 자체 조직화 된 중요성을 도입했습니다. Bak은 어디에서나 빈번한 작은 붕괴의 안정화 역할을보기 시작했습니다. 그의 1996 년 책“자연이 작동하는 방법”은 간단한 모래 말뚝을 넘어서 지진, 금융 시장, 교통 체증, 생물학적 진화, 우주의 은하 분포 및 뇌의 개념을 다른 복잡한 시스템으로 확장했습니다. Bak의 가설은 대부분의 경우 위상 전이의 가장자리에있는 뇌가 순서와 장애 사이를 떠오른다는 것을 암시합니다.
뇌는 엄청나게 복잡한 기계입니다. 수십억 개의 뉴런은 각각 수천 명의 다른 뉴런과 연결되어 있으며, 상호 작용은 우리가“사고”라고 부르는 출현 과정을 야기합니다. BAK에 따르면, 뇌 세포의 전기 활동은 침착 한시기와 눈사태 사이에서 앞뒤로 움직여 모래 더미의 모래 곡물과 마찬가지로 뇌가 항상 그 임계점에서 위태롭게 균형을 잡습니다.
이러한 중요한 역학을 더 잘 이해하면 뇌가 오작동 할 때 일어나는 일에 대해 밝힐 수 있습니다. 자체 조직화 된 중요성은 또한 통일 이론적 틀로 약속을 유지합니다. 신경 생리 학자 Dante Chialvo에 따르면, 신경 과학의 현재 모델의 대부분은 단일 실험에만 적용됩니다. 다른 실험의 결과를 복제하려면 과학자들은 매개 변수를 변경해야합니다 - 시스템 조정 - 또는 다른 모델을 완전히 사용해야합니다.
자기 조직화 된 중요성은 특정 직관적 인 매력을 가지고 있습니다. 그러나 좋은 과학 이론은 우아하고 아름답게해야합니다. Bak의 개념은 그의 접근 방식이 엄청나게 광범위한 많은 사람들을 놀라게하기 때문에 비평가들의 공유를 가졌다. 그는 징계 경계를 뛰어 넘어서 자체 조직화 된 비판을 사용하여 산림, 홍역 및 우주의 대규모 구조를 연결하는 것에 대해 이상한 것을 보지 못했다. 그는 말로 말을 다루는 사람도 아니었다. 캐나다의 이론적 물리학 연구소의 물리학자인이 스몰 린 (Lee Smolin)은이 문제를 오만보다는“어린이 같은 단순성”에 이르렀지만 그의 연마 성격은 그를 비평가들에게 사랑하지 않았다. Smolin은 2002 년 Bak의 죽음 이후의 기억에 남을 다른 방법이 없었을 것입니다.“과학은 어렵고 우리가 생각하는 것을 말해야합니다.”
.그럼에도 불구하고 Bak의 아이디어는 소수의 같은 생각을 가진 과학자들에게 비옥 한 근거를 발견했습니다. Chialvo는 현재 로스 앤젤레스 대학교와 아르헨티나의 전국 과학 기술 연구위원회와 함께 1990 년경 Brookhaven National Laboratory에서 Bak를 만나자 자체 조직화 된 중요성이 뇌 활동을 설명 할 수 있다고 확신했습니다. 그는 또한 상당한 저항에 직면했다. Chialvo는“데이터가 충분하지 않았기 때문에 많은 비평가들을 참아야했습니다. National Institute of Mental Health의 신경 과학자 인 Dietmar Plenz는 실험적 증거가 부족하여 당시 자체 조직화 된 중요성에 대한 작업을 위해 신경 과학에서 보조금을 얻는 것이 불가능하다고 회상했다.
.그러나 2003 년 이래로, 뇌가 피질 조직의 슬라이스와 EEG (Electroencephalography)의 슬라이스 검사에서 개별 뉴런 사이의 상호 작용의 측정을 검사함으로써 뇌가 중요도의 핵심 특성을 나타낸다는 증거의 본문은 기능적 자기 공명 (FMRI) 이미징 (FMRI) 이미징 (FMRI) 이미징의 데이터와 컴퓨터 모델의 예측을 비교하는 대규모 연구로의 상호 작용에 대한 대규모 연구에 이르기까지 성장했다. Chialvo는“이제이 분야는 공정한 비판을받을만큼 충분히 성숙합니다.
Bak의 모래 파일 모델의 최초의 경험적 테스트 중 하나는 1992 년 오슬로 대학교 물리학과에서 열렸습니다. 물리학 자들은 유리 판 사이에 쌀 더미를 제한하고 한 번에 하나씩 곡물을 추가하여 카메라에 눈사태 역학을 포착했습니다. 그들은 길쭉한 쌀 곡물 더미가 Bak의 단순화 된 모델과 매우 흡사하다는 것을 발견했습니다.
특히, 작은 눈사태는 예상 전력법 분배에 따라 더 큰 눈사태보다 더 자주 발생했습니다. 즉, 주어진 기간 동안 10 개의 곡물 만 포함 된 100 개의 작은 눈사태가 있다면 같은 기간에 100 개의 곡물이 포함 된 10 개의 눈사태가 있지만 1,000 개의 곡물이 포함 된 단일의 큰 눈사태 만 있습니다. (지진과 여진에서 동일한 패턴이 관찰되었습니다. 주어진 해에 Gutenberg-Richter 척도에 6.0의 쿼크가 6.0 인 경우 10.0 쿼크와 1 개의 쿼크가 있습니다.)
.10 년 후, Plenz와 동료 인 John Beggs는 현재 Indiana University의 생물 물리학자인 John Beggs는 피질 슬라이스에서 뉴런의 전기 활동에서 동일한 패턴의 눈사태를 관찰했습니다. Plenz는“아무도 뇌가 할 것이라고 믿지 않았던 일이었습니다. "놀랍게도 그것이 바로 일어나는 일입니다." Magnetoencephalography (MEG)와 CHIALVO의 자체 작업을 사용한 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 뇌의 휴식 상태의 FMRI 이미징 데이터와 비교 한 연구를 사용하여 뇌가 이러한 주요 눈사태 역학을 보여준 증거에 추가되었습니다.
그러나 아마도 놀라운 것은 아닙니다. 임계점 없이는 위상 전이가 없으며 전환 없이는 Bak의 모래 더미 또는 뇌와 같은 복잡한 시스템이 적응할 수 없습니다. Plenz에 따르면, 필자는 시스템이 질서와 장애 사이에서 완벽하게 균형을 이루는 "스위트 스팟"인 Criticality에서만 나타나는 이유입니다. 그들은 일반적으로 뇌가 정상적인 휴식 상태에있을 때 발생합니다. 눈사태는 두 가지 극단적 인 경우 중 하나에서 복잡한 시스템이 갇히거나 "위상 잠금"을 피하는 메커니즘입니다. 한 가지 극단적 인 경우, 간질 발작과 같은 순서가 너무 많습니다. 요소 간의 상호 작용은 너무 강하고 단단하므로 시스템은 변화하는 조건에 적응할 수 없습니다. 다른 한편으로는 너무 많은 장애가 있습니다. 뉴런은 뇌 전체에 걸쳐 크게 의사 소통을하지 않거나 크게 상호 연결되어 있지 않으므로 정보는 효율적으로 퍼질 수 없으며 다시 한 번 시스템이 적응할 수 없습니다.
.인디애나 대학의인지 신경 과학자 인 Olaf Sporns는“지루한 무작위성과 지루한 규칙 성”사이를 가리키는 복잡한 시스템은 놀랍게도 안정적이라고 말했다. "지루한 것은 나쁘다"고 그는 적어도 중요한 시스템에 대해 말했다. 사실,“눈사태를 불러 일으키지 않으려 고하면 결국 일이 일어날 때 실제로 커질 것입니다. "항상 눈사태를 불러 일으키면 모든 연료를 사용하여 말하면 큰 눈사태를위한 기회가 없습니다."
.D 'Souza의 연구는 이러한 역학을 적용하여 전기 그리드의 정전을 더 잘 이해합니다. 뇌도 올바르게 기능하기에 충분한 순서가 필요하지만 변화하는 조건에 적응하기에 충분한 유연성이 필요합니다. 그렇지 않으면, 유기체는 살아남을 수 없었습니다. 이것이 뇌가 자기 조직화 된 중요성의 특징을 나타내는 한 가지 이유 일 수 있습니다. 그것은 진화론 적 이점을 부여합니다. Chialvo는“비판적이지 않은 뇌는 매분마다 정확히 같은 일을하는 뇌이며, 다른 극단에서는 너무 혼란 스럽지만 상황에 관계없이 완전히 무작위적인 일을합니다. "그것은 바보의 뇌입니다."
뇌가 중요도에서 멀어지면 정보는 더 이상 시스템을 통해 효율적으로 태워질 수 없습니다. 한 연구 (아직 발표되지 않은)는 수면 박탈을 조사했다. 피험자들은 36 시간 동안 깨어있는 후 EGE가 뇌 활동을 모니터링하는 동안 반응 시간 검사를 받았습니다. 수면이 피사체를 더 많이 빠뜨릴수록 사람의 뇌 활동이 비판적 균형 지점에서 멀어지고 시험의 성능이 악화됩니다.
.또 다른 연구는 발작 동안 간질 대상의 데이터를 수집했습니다. EEG 녹음은 중간 조작, 비판적 맹렬한 눈사태가 사라 졌음을 밝혀 냈습니다. 뉴런간에 너무 많은 동기화가 있었고, Plenz는 다음과 같이 말했습니다.“정보 처리가 무너지고 사람들은 의식을 잃고 회복 될 때까지 무슨 일이 있었는지 기억하지 못합니다.”
.Chialvo는 물리학에서 발견 된 것과 같은 신경 과학자들에게 더 넓고 근본적인 이론을 제공하는 자기 조직화 비판을 구상합니다. 그는 그것이 가능한 모든 상태에서 마음을 모델링하는 데 사용될 수 있다고 생각합니다.
이것은 신경 과학이 빅 데이터의 영역으로 더 깊이 움직일 때 특히 관련이 있습니다. 최신 고급 이미징 기술은 데이터 세트 크기의 해당 폭발로 전례없는 해상도에서 시냅스를 매핑하고 뇌 활동을 모니터링 할 수 있습니다. 연구 자금의 수십억 달러는 뇌의 신경 경로의“네트워크 맵”을 구축하는 것을 목표로하는 Human Connectome 프로젝트와 세포에서 신호를 기록하기위한 새로운 기술 도구를 개발하는 데 전념하는 혁신적인 신경 기술 (뇌)을 발전함으로써 뇌 연구를 시작했습니다. 유럽의 인간 뇌 프로젝트도 있으며, 슈퍼 컴퓨터의 완전한 인간 뇌를 시뮬레이션하기 위해 노력하고 있으며 중국의 Brainnetome 프로젝트는 뇌의 복잡한 네트워크의 모든 수준에서 수집 된 데이터를 통합합니다.
.그러나 근본적인 이론이 없으면 데이터에 숨겨진 모든 잠재적 통찰력을 수집하기가 어려울 것입니다. Sporns는“맵을 제작하는 것은 괜찮으며, 시스템이 실제로 기능 할 때 시스템이 실제로 기능하고 역동적이라는 사실을 추적하지 않는 한, 맵을 카탈로그하는 것이 좋습니다.
Chialvo는“뇌의 구조, 즉 누가 누구와 연결되는지에 대한 정확한지도는 그 자체로 거의 관련이 없다”고 Chialvo는 말했다. Chialvo는“관련된 것은 역학입니다. 그런 다음 개인 차도에서 공개 고속도로에 이르기까지 모든 규모의 모든 연결에 대한 세부 사항이 포함 된 로스 앤젤레스의 거리지도와 뇌를 비교했습니다. 지도는 구조적 연결에 대해서만 알려줍니다. 트래픽이 해당 연결을 따라 어떻게 이동하는지 또는 트래픽 잼이 형성 될 가능성이있는 위치를 예측하는 데 도움이되지 않습니다. 지도는 정적입니다. 트래픽은 역동적입니다. 따라서 뇌의 활동도 마찬가지입니다. 최근 연구에서 Chialvo는 연구자들이 교통 역학과 뇌 역학이 모두 중요하다고 밝혔다.
Sporns는이 현상이 뇌에 얼마나 강력한 지 볼 수 있다는 점을 강조하며, 뇌 역학에서 권력 법칙의 관찰을 통해 더 많은 증거가 필요하다는 것을 지적합니다. 특히, 이론은 여전히 신경 생물학적 메커니즘에서 비판적이 어떻게 발생하는지에 대한 명확한 설명, 즉 국소 및 분산 회로에서 뉴런의 신호 전달이 부족하다. 그러나 그는 자신이 이론이 성공하기 위해 응원하고 있음을 인정합니다. "이것은 너무나 의미가있다"고 말했다. “뇌를 설계하려면 믹스에서 중요성을 원할 것입니다. 그러나 궁극적으로 그것은 경험적 질문입니다.”
