Книга Млечный Путь № 1 2021 - Леонид Александрович Ашкинази

гласит, что по мере увеличения силы, приложенной к объекту, его ускорение увеличивается, а по мере увеличения массы объекта его ускорение уменьшается, применяются к пассивной, неживой материи, от атомов до планет. Но большая часть материи в мире активна и движется под действием собственной, самонаправляемой силы".

Так сказал Николай Бриллиантов, математик из Сколковского института науки и технологий в России и Университета Лестера в Англии. Такие разнообразные живые существа, как бактерии, птицы и люди, могут взаимодействовать с действующими на них силами. Есть и примеры неживой активной материи. Наночастицы, известные как "частицы Януса", состоят из двух сторон с разными химическими свойствами. Взаимодействие между сторонами создает движение.

Чтобы исследовать активную материю, Бриллиантов и его коллеги использовали компьютер для моделирования частиц, которые могут самостоятельно двигаться.

"Эти частицы сознательно не взаимодействуют с окружающей средой, - сказал Бриллиантов. - Они больше похожи на простые бактерии или наночастицы с внутренними источниками энергии, но без способностей к обработке информации".

Первым сюрпризом было то, что эта активная материя ведет себя совсем не так, как пассивная. По словам Бриллиантова, разные состояния пассивной материи могут сосуществовать. Например, стакан жидкой воды может постепенно испаряться, но при этом остается жидкая вода. Активная материя, напротив, не сосуществовует в разных фазах; она или твердая, или жидкая, или газообразная.

Частицы также группируются в большие конгломераты или квазичастицы, которые образуют круговой узор вокруг центральной пустоты, что-то вроде водоворота стайных сардин. Исследователи назвали эти конгломераты частиц "вихревыми", а новое состояние вещества - "вихревым состоянием". В этом вихревом состоянии частицы проявляли странное поведение. Например, они нарушили второй закон Ньютона: когда к ним прикладывали силу, они не ускорялись. "Они просто движутся с постоянной скоростью, что совершенно удивительно", - сказал Бриллиантов. По его словам, моделирование было лишь началом, и экспериментальная работа с реальным активным веществом - важный следующий шаг. Бриллиантов и его коллеги планируют провести более сложное моделирование с использованием частиц активного вещества, способных обрабатывать информацию. Такие частицы будут больше напоминать насекомых и животных и помогут раскрыть физические законы, регулирующие возникновение стай и роение. По словам Бриллиантова, в конечном итоге цель состоит в том, чтобы создать самособирающиеся материалы из активного вещества, что важно для понимания фаз этого вида материи. "Очень важно, что мы видим природу активной материи, которая намного богаче, чем природа пассивной материи", - сказал Бриллиантов.

***

Невидимый мозг

Мэтью Забель

Рис 3

Понятие темной материи, как следует из ее названия, вызывает в воображении ощущение эфирного и таинственного. Сначала думаешь о гипотетическом материале, составляющем 85% плотности Вселенной. Это то, что мне пришло в голову, когда я увидел новую статью, расширяющую теорию темной материи мозга. Статья, опубликованная в журнале "Структура и функции мозга", призвана убедить читателя в том, что большие участки нейронов мозга остаются "молчаливыми" на протяжении всей жизни. Эти безмолвные ансамбли нейронов составляют так называемую темную материю.

Исторически сложилось, что не первый раз биологическое явление получает ярлык темной материи. Проект "Геном человека" обнаружил, что до 98% генома представляет собой некодирующую ДНК - другими словами, ДНК, которая не кодирует белок. Более того, когда-то считалось, что глиальные клетки, составляющие большинство клеток мозга, являются просто структурной, по существу безмолвной "темной материей" мозга. Теперь мы знаем, что даже некодирующие области ДНК выполняют функции, которые ученые все еще выясняют.

Статья написана Сааком Овсепяном и описывает популяцию нейронов в головном мозге, которая, по сути, хранит молчание. Работа определенно возвращает нас к мифу о том, что мы используем только 10% возможностей нашего мозга. Однако проблема заключается в том, что функциональные записи (электрофизиологические или полученные на основе изображений) демонстрируют существование молчаливых нейронов. Предположение Овсепяна заключается в том, что в мозге есть популяции нейронов, которые при записи в присутствии различных стимулов никогда не пропускают потенциал действия к следующему нейрону в цепи. Сколько бы способов вы ни использовали, они не отвечают. Проблема в том, что экспериментаторы не пробовали правильные стимулы для конкретных нейронов, которые они тестировали.

Похоже, что в длинном списке стимулов они просто не достигли нужного стимула. Опробовать все мыслимые стимулы на каждом нейроне, безусловно, будет долгим, утомительным и дорогостоящим экспериментом. Ни один аспирант не подписался бы на этот проект. Автор признает этот потенциальный изъян в своей теории: "Еще одно возможное объяснение наличия большого количества неактивных нейронов - это их узкая настройка. Но могут ли эти соображения объяснить постоянное молчание подавляющего большинства нейронов по всему мозгу, еще предстоит выяснить".

Овсепян описывает реликтовое поведение, которое можно было наблюдать у наших предков, живших за тысячи лет до цивилизации, и которые проявляются у пациентов с шизофренией. Представление о том, что тормозящие нейроны сдерживают таланты и поведение, кажется правдоподобным. Растормаживание, которое происходит при стрессе, может раскрыть замечательные способности ученых, а также пагубное поведение, наблюдаемое при шизофрении.

Однако можно возразить, что вышеупомянутые явления могут быть результатом рождения слишком большого количества функционирующих нейронов. В начале мозг имеет гораздо больше связей между нейронами, чем ему нужно. По мере развития организма количество связей сокращается. Сейчас считается, что эти внешние связи приводят к поведению, наблюдаемому при аутизме и шизофрении - растормаживание спящих цепей не требуется; они уже есть и функционируют, хотя и ненадлежащим образом.

Эта модель объясняет, почему поведение, связанное с увеличением функциональности, проявляется в более позднем возрасте, чем можно было бы ожидать. Представьте себе человека, рожденного с генетической предрасположенностью к шизофрении. Скажем, гены риска участвуют в миелинизации тормозящих интернейронов. Мы так эволюционировали, что наш мозг не становится полностью миелинизированным примерно до 30 лет. Если миелин мозга этого человека развивается немного медленнее, чем у его сверстников, и мозг эволюционировал так, что к 21 году он должен функционировать с заранее заданным количеством миелина, порог его мозга для управления стрессором может быть снижен. Кажется, это так. Жизненный стресс возрастает примерно к 20 годам, что также является возрастом самого высокого уровня заболеваемости шизофренией. Тогда кажется возможным, что потеря тормозящей функции интернейрона из-за известного дефекта могла растормаживать цепи, которые у "нормального" человека не работали бы.

Теория темной материи помогает объяснить, почему психоз, наблюдаемый у этих пациентов, развивается в это время, а не раньше, как можно было бы ожидать. Идея о том, что древние нейронные сети бездействуют, вносит интересный поворот в теорию эволюции мозга. Возможно, однажды мы попробуем все возможные стимулы для каждой цепи, чтобы определить, существует ли на самом деле популяция нейронов, находящихся в спящем состоянии и ожидающих освобождения.