Forscher der Universität Cambridge haben in diesem Jahr einen großen Schritt gemacht, um zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert. Es scheint, dass das Gehirn eine fraktale Organisation hat. Dies gibt uns wahrscheinlich viel von dem, was wir als menschlich betrachten. Und auf einer tieferen Ebene können diese Erkenntnisse dazu beitragen, uns auf eine sehr fundamentale Weise mit dem Rest der natürlichen Welt zu verbinden.
Das Forschungsteam von Kitzbichler, Smith, Christensen und Bullmore veröffentlichte ihre Ergebnisse in einem Artikel mit dem Titel "Breitband-Kritikalität der menschlichen Gehirn-Netzwerk-Synchronisation", der online kostenlos zur Verfügung steht. Ich habe den Artikel seit ungefähr sechs Monaten und hatte es vor, etwas darauf zu posten. Also möchte ich "Neel" dafür danken, dass er mich dazu gebracht hat, den Artikel neu zu lesen und etwas mit einer interessanten Frage über neurologische Komplexität und Intelligenz an den Blog Chaotic Life von Psychology Today im letzten Monat zu schreiben. Ich möchte auch meinem Freund und Kollegen aus NY, Grant Brenner, dafür danken, dass er mich auf den Artikel aufmerksam gemacht hat, als er herauskam.
Das Design, die Ergebnisse und der Kontext für diese Studie sind sehr anspruchsvoll und die Implikationen sind ziemlich abstrakt. Also werde ich mein Bestes tun, um klar zu sein. Zuerst der Kontext: Viele natürliche Systeme weisen fraktale Organisation und Verhalten auf. Ein Fraktal ist eine verzweigte Struktur. Denk an einen Baum: (1) Bäume haben viel mehr kleine Äste als große. Diese Eigenschaft wird manchmal auch als "Potenzgesetz" oder "umgekehrtes Potenzgesetz" oder "1 / f" bezeichnet. Jeder dieser Begriffe bedeutet, dass es im Vergleich zu großen exponentiell mehr kleine Verzweigungen gibt. (2) Bäume sind "selbstähnlich", was bedeutet, dass kleine Verzweigungsmuster größeren ähneln. Dieses Merkmal wird manchmal auch als "Skaleninvarianz" oder "skalenfrei" bezeichnet, da die allgemeine Verzweigungsform unabhängig von der Größe, die Sie betrachten, die gleiche ist. (3) Die Komplexität von Baumverzweigungsmustern kann quantifiziert werden. Fraktale werden "Fraktale" genannt, weil sie in Bruchteildimensionen existieren. Eine Linie passt perfekt in eine Dimension. Ein Flugzeug (wie ein Stück Papier) passt in zwei Dimensionen. Fraktale passen zwischen eine Linie und eine Ebene (oder in der realen Welt zwischen zwei und drei Dimensionen). Einfacher, weil sie so komplex sind, mit einer großen Anzahl von Tini winzigen Zweigen, erreichen Bäume nie ganz drei Dimensionen. Wenn Sie sie in eine Schachtel legen, bleibt immer etwas Platz übrig.
Sie können schnell erkennen, dass viele andere natürliche Strukturen neben Bäumen Fraktale sind: Neuronen, Flüsse, das Atmungssystem, das Kreislaufsystem, geologische Verwerfungslinien, Schneeflocken und so weiter.
Natürliche Systeme erzeugen auch fraktales Verhalten über die Zeit oder in der Dynamik. Erdbeben sind ein häufiges Beispiel. Es gibt viel mehr kleine Erdbeben als große (was übrigens schön ist). Andere Beispiele sind die Größe von Aussterbeereignissen bei Tierarten, die Anzahl akademischer Veröffentlichungen (einige Forscher machen große Mengen an Arbeit und der Rest von uns tun ein wenig), die Anzahl der Zugriffe auf Websites, die Wartezeiten in Stop-and-Sites -go Verkehr und Wortgebrauch in der Literatur (dh Zipf's Gesetz).
Warum tun Systeme das? Es gibt viele Gründe. Im Wesentlichen haben fraktale Systeme viele Möglichkeiten für Wachstum, Veränderung und Reorganisation. Sie sind aber auch sehr robust. Sie behalten ihre Kohärenz bei; Sie halten sich auch unter schwierigen Umständen gut zusammen. Sie sind in dieser Hinsicht ausgeglichen, zwischen Ordnung und Chaos. Sie sind einfach, aber auch sehr komplex. Dieses Gleichgewicht wird oft als "Kritikalität" bezeichnet, so der Titel des Artikels: "Breitband-Kritikalität". Und der Begriff "selbstorganisiert" wird oft hinzugefügt, weil Systeme dazu tendieren, allein zu fraktal zu werden, indem einfach eine Menge davon gesetzt wird Systemkomponenten zusammen und ermöglicht ihnen den Austausch von Informationen. Denk an eine Party. Alles, was Sie tun müssen, ist, genug Menschen am selben Ort und zu derselben Zeit zu finden, und sie werden beginnen, komplexe Muster der Verbindung miteinander zu bilden.
Selbstorganisierende kritische Systeme sind auch sehr gut darin, sowohl intern als auch mit anderen umgebenden Systemen zu verbinden. Die Zweige eines Baumes sind sehr schön miteinander verbunden. Wenn Sie einen Ast schütteln, werden Sie über den Baum hinweg zittern sehen. Fraktale Strukturen hängen gut zusammen. Dennoch können sie verzweigt werden, ohne die Gesamtstruktur zu beeinflussen. In der Tat, wenn Sie sie weit genug abschneiden (über der Wachstumsknospe, "posttraumatisches Wachstum" oder "was auch immer Sie nicht tötet, macht Sie stärker"), werden sie oft noch stärker wachsen, mit komplexeren Verbindungen in den äußeren Zweigen. Schließlich können sich verzweigte Muster leicht mit anderen Systemen verbinden – ein wörtliches Netz des Lebens. Ein Baum mit vielen fraktalen Zweigen (und auch Wurzeln) kann sich besser mit der Sonne (und dem Boden) verbinden, um lebenserhaltende Nährstoffe zu sammeln und auszutauschen.
In den letzten 10 bis 20 Jahren fanden Forscher in der Psychologie zunehmende Beispiele für fraktale Muster in allen Bereichen der Psychologie: Einschließlich intentionale Verhaltensweisen, visuelle Suche und Sprachmuster. In meinem eigenen Labor haben wir in den letzten Jahren herausgefunden, dass zwischenmenschliche Beziehungen als Fraktale organisiert sind und dass das Selbstkonzept in letzter Zeit ein Fraktal ist, wobei Komplexität sowohl im psychologischen als auch im sozialen Bereich mit Gesundheit assoziiert wird. Darüber hinaus scheint die fraktale Komplexität (oder Starrheit) routinemäßig zwischen biologischen, psychologischen und sozialen Prozessen ausgetauscht zu werden. Fraktale Persönlichkeitsstruktur hilft uns zu wachsen und zu verbinden, wie Fraktale Beziehungen, und jeder hat wahrscheinlich direkte Auswirkungen auf die körperliche Gesundheit durch Förderung der Integration und Flexibilität zwischen Kreislauf-, Atmungs- und Immunsystem.
Die Studie von Kitzbichler et al (2008) hat zu vielen früheren Untersuchungen beigetragen, die vermuten lassen, dass das Gehirn fraktales Verhalten zeigt. Dies stellt eine notwendige Verbindung zwischen den physischen Prozessen des Gehirns und jedem der größeren Fraktale, die wir in weiteren Persönlichkeits- und sozialen Beziehungen sehen, her. Es ist klar, dass biologische, psychologische und soziale Dynamiken eng miteinander verknüpft sind und sich im Laufe der Zeit in vielfältiger Weise gegenseitig beeinflussen. Mit fraktaler Organisation bei jeder dieser Skalen kann man vorschlagen, dass sie in gewisser Hinsicht alle sozusagen zum selben fraktalen Baum gehören.
Kitzbichler et al (2008) verwendeten zwei Maße der Synchronisation über Gehirnsysteme: (1) das "Phasen-Verriegelungs-Intervall" und die "Labilität der globalen Synchronisation". Das Phasen-Verriegelungs-Intervall ist die Zeit, die verschiedene Gehirnregionen tun das Gleiche zusammen – die Menge der Zeit, in der sie synchronisiert werden. Im Wesentlichen ist dies ein zeitbasiertes Maß für die Koordination des Gehirnsystems. Die andere Maßnahme, "Labilität der globalen Synchronisation", ist eine raumbasierte Maßnahme. Diese Kennzahl sagt Ihnen, wie global die Verschiebungen der Synchronisation des Gehirnsystems sind, wie weit sie sind, wie weit sie reichen.
Sie haben die vielen wundervollen technischen Details ihrer Analysen weggelassen und festgestellt, dass beide Messungen eine fraktale Strukturierung zeigten. Dies bedeutet, dass die Zeit, die verschiedene Hirnregionen synchron verbringen, ähnlich ist – mit vielen kurzen Verknüpfungszeiten und weniger langen Verknüpfungszeiten. Und die Verbreitung dieser Verbindungen über die Gehirnregionen war ebenfalls verzweigt, mit vielen kleinen und wenigen großen Spreads.
Diese Ergebnisse, zusammen mit den Beweisen, die vor ihnen liegen, liefern ein viel wahreres Bild davon, wie das Gehirn organisiert ist und wie es funktioniert. Dies ist der Kern der Grundlagenforschung. Die Anwendungen dieser Ergebnisse können als praktisch unbegrenzt angesehen werden und werden im Laufe der Zeit jeden Zweig der angewandten Neurowissenschaften beeinflussen – Intelligenz, Bewusstsein, Empathie, Körper-Geist-Medizin, Psychiatrie und Psychotherapie.
Worüber ich lieber spekulieren würde, wären die breiteren Implikationen. In der Tat, was diese robusten Ergebnisse im Gehirn nahe legen, ist ein möglicher Mechanismus für die "Breitband-Konnektivität", die wir mit dem Rest der natürlichen Welt teilen. Insofern die fraktale Dynamik in der Breitbandsynchronisation in jedem Maßstab der messbaren Realität existiert – vom Quanten bis zum Kosmos ist vielleicht das menschliche Bewusstsein einfach und zutiefst ein Portal, durch das eine solche fraktale Konnektivität fließt. Vielleicht reichen die Verbindungen, die unser Wachstum und unsere Integration auf den biopsychosozialen Skalen beeinflussen, viel tiefer in die Wurzeln der Materie hinein und viel weiter in den Kosmos hinein, als sich die moderne Wissenschaft jemals vorgestellt hat. Die Wissenschaft scheint sich einer Periode des Neo-Vitalismus zu nähern, mit wissenschaftlich fundierten Wegen, die attraktive Weltanschauung unserer Wurzel-Zivilisationen zu erforschen – dass alles im Leben verbunden ist und dass das gesamte Universum innerhalb dieser Verbindungen lebt.
Sicher – einige Verbindungen sind proximaler als andere. Kitzbichler et al. fanden heraus, dass funktionell verbundene Gehirnregionen mit größerer Wahrscheinlichkeit längere Zeit miteinander übereinstimmten und synchron blieben, was zu fraktalen Komplexitätsmaßen führte, die weniger flexibel waren als die Verbindungen zwischen weiter entfernten Regionen. Ebenso wird der eigene Lebenspartner Sie eher verrückt machen als der Mond.
Dennoch wird es interessant sein zu sehen, ob bestimmte systemische Zustände die Kohärenz fördern und die Verbindungen zwischen scheinbar getrennten Systemen vergrößern. Zum Beispiel ist die menschliche Stressantwort ein wahrscheinlicher Kandidat für die Erhöhung der kurzfristigen Kohärenz zwischen biologischen, psychologischen und sozialen Prozessen. Wenn Sie gestresst sind, verbinden sich Ihre Körpersysteme, Ihre psychologischen Systeme werden klar und fokussiert, und Ihre soziale Dynamik wird kohärent, ebenso wie Sie sich zusammenschließen und strenge Führungshierarchien bilden. Hat der menschliche Stress größere Auswirkungen? Kann ihre Wirkung bis in den Quantenbereich gemessen werden? Können Quantensysteme umgekehrt "gestresst" werden, sodass sie in unsere Makrowelt eindringen? Vielleicht, vielleicht auch nicht. Eines ist sicher, dieser Blog ist schon viel zu lang und abstrakt, um diese Möglichkeiten vollständig zu berücksichtigen. Vielleicht ein anderer Tag ..?
