Ons brein is een zeer complex netwerk, met ongeveer 100 miljard neuronen en 100 biljoen synapsen tussen de neuronen. Om de enorme complexiteit het hoofd te bieden, en begrijpen hoe de hersenen werken en uiteindelijk onze bewuste geest vormen, wetenschap maakt gebruik van geavanceerde wiskundige hulpmiddelen. uiteindelijk, wetenschappers proberen te begrijpen hoe een wereldwijd fenomeen zoals bewustzijn uit ons neuronale netwerk kan ontstaan.

Een team van natuurkundigen van de Bar-Ilan Universiteit in Israël, onder leiding van professor Shlomo Havlin en professor Reuven Cohen, gebruikte netwerktheorie om met deze complexiteit om te gaan en om te bepalen hoe de structuur van het menselijke corticale netwerk complexe data-integratie en bewuste activiteit kan ondersteunen. Het grijze gebied van de menselijke cortex, de cellichamen van neuronen, werden gescand met MRI-beeldvorming en gebruikt om 1 te vormen 000 knooppunten in het corticale netwerk. De witte stof van de menselijke cortex, de neuronenbundels, werden gescand met DTI-beeldvorming, vormen 15, 000 links of randen die de knooppunten van het netwerk met elkaar verbonden. Aan het einde van dit proces, hun netwerk was een benadering van de structuur van de menselijke cortex. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

Eerdere studies hebben aangetoond dat de menselijke cortex een netwerk is met kleine wereldeigenschappen, wat betekent dat het veel lokale structuren heeft en enkele kortere wegen van wereldwijde structuren die verre gebieden met elkaar verbinden (vergelijkbaar met het verschil tussen lokale bussen en langlauftreinen). De cortex heeft ook veel hubs, welke knooppunten zijn met een groot aantal links (zoals centrale stations), die onderling ook sterk met elkaar verweven zijn, waardoor het gemakkelijk is om tussen de informatiesnelwegen van de hersenen te reizen.

Volgens Nir Lahav, de hoofdauteur van de studie, "Om te onderzoeken hoe de structuur van het netwerk wereldwijde opkomende fenomenen kan ondersteunen, zoals bewustzijn, we hebben een netwerkanalyse toegepast die k-shell-decompositie wordt genoemd. Deze analyse houdt rekening met het connectiviteitsprofiel van elk knooppunt, waardoor het gemakkelijk is om verschillende buurten van verbindingen in het corticale netwerk te ontdekken, we noemden shells." De meest verbonden buurt in het netwerk wordt de kern van het netwerk genoemd. Lahav legt uit, "Tijdens het proces pellen we verschillende schillen van het netwerk af om het meest verbonden gebied van het netwerk te krijgen, de kern. Tot op heden waren wetenschappers alleen geïnteresseerd in de kern van het netwerk, maar we ontdekten dat deze verschillende schillen belangrijke informatie kunnen bevatten over hoe de hersenen informatie van de lokale niveaus van elk knooppunt naar het hele wereldwijde netwerk integreren. Voor het eerst kunnen we een uitgebreid topologisch model van onze cortex bouwen."

Dit topologische model laat zien dat de kern van het netwerk 20% van alle knooppunten omvat en dat de resterende 80% sterk verbonden is over alle verschillende schillen. interessant, als we deze topologie vergelijken met die van andere netwerken, zoals internet, we kunnen enkele opvallende verschillen zien. Bijvoorbeeld, in internetnetwerktopologie is bijna 25% van de knooppunten geïsoleerd, wat betekent dat ze geen verbinding maken met andere schillen dan de kern (zie de 'poten' van de medusa-vormtopologie in figuur 1, topologie van de menselijke cortex). In het corticale netwerk, echter, er zijn nauwelijks geïsoleerde knooppunten. Het lijkt erop dat de cortex veel meer verbonden en efficiënter is dan internet.

Kijkend naar alle verschillende schillen van het corticale netwerk, de auteurs waren in staat om de hiërarchische structuur van het netwerk te definiëren en in wezen te modelleren hoe informatie binnen het netwerk stroomt. De structuur onthulde hoe shells met lage connectiviteit knooppunten zijn die typisch specifieke functies uitvoeren, zoals gezichtsherkenning. Van daaruit worden de gegevens overgedragen naar hogere, meer verbonden shells die extra data-integratie mogelijk maken, en daar kunnen we regio's van het uitvoerende netwerk en het werkgeheugen zien. Met deze gebieden kunnen we ons bijvoorbeeld richten op taakuitvoering (afbeelding 2, de hiërarchie van de menselijke cortex).

De geïntegreerde informatie 'reist' vervolgens naar de meest verbonden buurt van knooppunten, de kern, die zich uitstrekt over verschillende gebieden van de cortex. Volgens Lahav, "Het is een onderling verbonden collectief dat nauw met zichzelf verbonden is en wereldwijde functies kan vervullen vanwege de grote hoeveelheid wereldwijde structuren die wijdverspreid zijn in de hersenen." (Zie figuur 3, kern van de menselijke cortex.)

Welke globale functie zou de kern kunnen hebben? De auteurs suggereren dat het antwoord niet minder is dan het bewustzijn zelf.

"Het verband tussen hersenactiviteit en bewustzijn is nog steeds een groot mysterie, " zegt Lahav. De belangrijkste hypothese van vandaag is dat om bewuste activiteit te creëren, de hersenen moeten relevante informatie uit verschillende delen van het netwerk integreren. Volgens deze theorie is onder leiding van professor Giulio Tononi, van de Universiteit van Wisconsin, als het niveau van geïntegreerde informatie een bepaalde grens overschrijdt, een nieuwe en opkomende staat wordt ingevoerd, bewustzijn. Dit model suggereert dat bewustzijn afhangt van zowel informatie-integratie als informatie-segregatie. Globaal gezegd, bewustzijn wordt gegenereerd door een "centrale" netwerkstructuur met een hoge capaciteit voor informatie-integratie, met de bijdrage van subnetwerken die specifieke en gescheiden informatie bevatten, zonder deel uit te maken van de centrale structuur. Met andere woorden, bepaalde delen van de hersenen zijn meer dan andere betrokken bij wat we het bewuste complex van de hersenen kunnen noemen, nog andere verbonden delen dragen nog steeds bij, rustig werken buiten het bewuste complex.

De auteurs laten zien hoe de kern en de verschillende schillen voldoen aan alle eisen van deze recente bewustzijnstheorieën. De verschillende schillen berekenen en dragen bij aan data-integratie zonder daadwerkelijk deel uit te maken van het bewuste complex, terwijl de kern relevante informatie ontvangt van alle andere hiërarchieën en deze integreert tot een uniforme functie met behulp van zijn wereldwijde onderling verbonden structuur. De kern zou dus dit bewuste complex kunnen zijn, dienen als een platform voor bewustzijn om uit de netwerkactiviteit te komen.

Toen de auteurs de verschillende regio's van de kern onderzochten, onthulden ze dat, inderdaad, deze regio's zijn eerder in verband gebracht met bewuste activiteiten. Bijvoorbeeld, structuren in de middellijn van de hersenen, die het grootste deel van de kern van het netwerk vormen, bleken geassocieerd te zijn met de stroom van bewustzijn en wat onderzoek, zoals die van professor Georg Northoff, van de Universiteit van Ottawa, hebben gesuggereerd dat deze regio's betrokken zijn bij het creëren van ons zelfgevoel.

"Nu moeten we deze analyse op de hele hersenen gebruiken en niet alleen op de cortex om een ​​nauwkeuriger model van de hiërarchie van de hersenen te onthullen, en om later te proberen te begrijpen wat precies de neuronale dynamiek is die tot zo'n globale integratie leidt en, uiteindelijk, bewustzijn, ' zegt Lahav.

"Grote vragen hebben een diepgaand antwoord nodig dat meestal alleen in de natuurkunde te vinden is. De natuurkunde probeert de basiswetten van de natuur bloot te leggen door algemene wiskundige vergelijkingen te construeren die zoveel mogelijk natuurlijke fenomenen kunnen beschrijven. Deze wiskundige vergelijkingen onthullen fundamentele aspecten van de werkelijkheid. Als we willen echt begrijpen wat bewustzijn is en hoe de hersenen werken, we moeten de wiskundige vergelijkingen van onze hersenen en onze bewuste geest ontwikkelen. We zijn er nog niet, in feite zijn we vrij ver verwijderd van dit doel, maar ik vind dat dit onze 'heilige graal' zou moeten zijn en we zijn al begonnen met het proces om daar te komen, " hij voegt toe.