Het begrijpen van de fundamentele bestanddelen van het universum is moeilijk. Het begrijpen van de hersenen is een andere uitdaging. Elke kubieke millimeter menselijk brein bevat ongeveer 4 km neuronale "draden" die signalen op millivoltniveau dragen. verbinden ontelbare cellen die alles bepalen wat we zijn en doen. De oude Egyptenaren wisten al dat verschillende delen van de hersenen verschillende fysieke functies regelen, en er zijn een paar eeuwen verstreken sinds artsen menigten vermaakten door stromingen door lijken te laten gaan om ze levend te laten lijken. Maar pas in de afgelopen decennia zijn neurowetenschappers in staat geweest om diep in de circuits van de hersenen te graven.

Op 25 januari, sprekend voor een vol publiek op de theorieafdeling van CERN, Vijay Balasubramanian van de Universiteit van Pennsylvania beschreef de benadering van een natuurkundige om de hersenen op te lossen. Balasubramanian deed zijn Ph.D. in theoretische deeltjesfysica aan de Princeton University en werkte ook aan het UA1-experiment in de Super Proton Synchrotron van CERN in de jaren tachtig. Tegenwoordig varieert zijn onderzoek van snaartheorie tot theoretische biofysica, waar hij methodologieën toepast die gebruikelijk zijn in de natuurkunde om de neurale topografie van informatieverwerking in de hersenen te modelleren.

De basisarchitectuur van de hersenen is redelijk goed begrepen. Zeer complexe sensorische en cognitieve taken worden uitgevoerd door de samenwerking van vele gespecialiseerde neuronen en circuits, die elk een verrassend eenvoudige functie hebben. Balasubramanian gebruikte voorbeelden, waaronder ons reukvermogen, waarmee mensen en andere dieren enorme reeksen geurmengsels kunnen onderscheiden met behulp van zeer beperkte neurale middelen, en ons 'gevoel van plaats' (hoe we onze fysieke locatie mentaal vertegenwoordigen) om aan te tonen dat hersenen neurale circuits hebben ontwikkeld die gebruikmaken van geavanceerde wiskundige principes - waarvan sommige nu pas ontdekt worden.

Opmerkelijk, voorspellingen gemaakt door vrij ruwe modellen blijken de circuits van de hersenen vrij goed te beschrijven, vaak uitdagend traditioneel denken. In het algemeen, De berekeningen van Balasubramanian suggereren dat dieren zijn geëvolueerd om de grootste cognitieve knal te krijgen voor zo min mogelijk neuronen. "Neuronen zijn duur!" hij zegt, erop wijzend dat de hersenen slechts twee procent van ons lichaamsgewicht uitmaken, maar 20 procent van onze metabolische belasting vertegenwoordigen. De hersenen verbruiken slechts 12 W aan stroom, zeven keer minder dan een typische laptop, maar beschikt over aanzienlijk meer rekenkracht die wordt gebruikt om subtielere functies uit te voeren. "De hersenen kunnen ons verliefd maken, terwijl de computer nauwelijks een gezicht herkent, " hij zegt.

Nog altijd, Balasubramanian denkt dat mensen hun cognitieve vermogens overschatten:we zijn niet zo bijzonder als we denken dat we zijn. Hij stelt dat het grootste deel van het gedrag van onze hersenen voortkomt uit oerbedrading die de meeste gewervelde dieren gemeen hebben. Hoewel een kwantitatief begrip van hogere concepten zoals 'gedachten' of 'bewustzijn' nog ver weg is, duidelijk is er een vruchtbare grond voor natuurkundigen om te verkennen in de snel veranderende wereld van de neurowetenschappen.