Мозг, черви и компьютеры устроены одинаково

Интернациональная группа ученых обнаружила удивительное сходство между человеческим мозгом, нервной системой червей и компьютерной микросхемой. Сообщение об открытии было опубликовано в PloS Computational Biology.

"Мозг часто сравнивают с компьютером, но кроме того факта, что оба они обрабатывают информацию с помощью сложной системы соединений в физическом пространстве, остается неясным можно ли считать такое сравнение чем-то большим чем метафорой", - заявила Даниелла Бассет (Danielle Bassett), автор статьи об открытии из Департамента физики университета в Санта-Барбаре.

Команда ученых из таких стран как США, Великобритания и Германия обнаружили неизвестные ранее количественные организационные принципы, которые лежат в основе сетевой организации человеческого мозга, микросхемы высокопроизводительных компьютеров и нервной системы червей известных под названием нематоды C. elegans. Используя данные, которые были доступны в свободном доступе: магнитно-резонансная томография мозга человека, карта нервной системы нематодов и стандартный компьютерный чип, ученые изучили как разрозненные элементы взаимодействовали друг с другом в каждой из систем.

К своему удивлению, они обнаружили что все три системы объединяли между собой два основных свойства. Во-первых, мозг человека, нервная система нематод и компьютерные чипы по своей архитектуре напоминали матрешку: структура повторялась снова и снова в другом масштабе.

Во-вторых, все три подпадают под так называемое масштабирование Рента (англ. Rent's scaling), - правило, которое описывает отношение между количеством элементов на данном участке пространства и числом связей между ними.

Фактически, каждая система имеет систему соединений, которая жестко зафиксирована в физическом пространстве, подобно тому как железнодорожные пути жестко зафиксированы на земле, образуя транспортные пути в жестко зафиксированном положении. Например, компьютерный чип в начале разработки представляет собой абстрактную модель подключений, которая способна выполнять определенные функции. На второй стадии, разрабатывают карту подключений на двухмерной поверхности чипа. Составление карты - ключевая операция, поскольку от нее зависит конечная длина проводов, на которые приходится львиная доля цены микросхемы.

"Подобным образом мозг обладает точно выверенными соединениями, которые позволяют организму функционировать, длина которых ограничивается только лишь целесообразностью  выполняемой ими работы по отношению к затрачиваемой энергии, которая тратится на создание и поддержание длинных "проводов" или нейронов", - рассказала Бассет. Она пояснила, что поскольку ограничения мозга и микросхем схожи, можно сказать что и эволюция и технологический прогресс разработали идентичные оптимальные решения создания системы соединений.

Данная работа позволяет предположить, что прогресс человечества и естественный отбор независимо друг от друга нашли идентичный компромисс между ценой и сложностью разработки сетей обработки информации двух типов: мозга и компьютерных микросхем.

Бассет тесно работала с Эдвардом Баллмором (Edward Bullmore), профессором психиатрии из университета Кембридж, который    пояснил: "Поразительная схожесть принципов строения мозга и компьютера могут быть объяснены тем, что они представляют собой самый эффективный способ организации сложной сети в ограниченном физическом пространстве - будь то трехмерный человеческий мозг или двухмерная микросхема компьютера". Популярные статьи новости науки и техники только на нашем портале.

• Исследователи улучшили эффективность и долговечность солнечных элементов
• Тёмная материя: Как камера отслеживает невидимое
• Мягкий, растяжимый электрод имитирует тактильные ощущения с помощью электрических сигналов
• Новая и улучшенная камера, вдохновленная человеческим глазом
• Машинное обучение может помочь ответить на давние астрофизические вопросы
• Ученые связывают износ двигателей самолетов с попаданием пыли в крупных аэропортах
• Цемент, вдохновленный раковинами, стал в 19 раз гибче благодаря «спроектированным дефектам»
• Самый длинный в Северной Америке вантовый мост соединяет США и Канаду