Steht Ihr Gehirn kurz vor einer Phasenverschiebung? Neue Forschungsergebnisse deuten auf einen überraschenden Zustand der Materie hin

Gehirnzellen sind in einem fraktalen, statistischen Muster in unterschiedlichen Maßstäben angeordnet.

Laut einer neuen Studie der Northwestern University könnte unser Gehirn kurz vor einem Wendepunkt stehen. Dieser „kritische Punkt“ ist ein Zustand hoher Komplexität, der bei Materialien auftritt, wenn sie sanft von einer Phase in eine andere übergehen, wie ein Magnet, der bei Erhitzung seinen Magnetismus verliert.

Wissenschaftler analysierten Gehirnscans von Menschen, Mäusen und Fruchtfliegen und fanden bei allen drei Spezies einen ähnlichen kritischen Punkt. Dies deutet darauf hin, dass es sich bei dieser Entdeckung um ein grundlegendes Prinzip handeln könnte, das alle Gehirne betrifft.

Obwohl die Forscher noch nicht wissen, welche spezifischen Phasen das Gehirn durchläuft, könnte diese Entdeckung der Schlüssel zur Entwicklung komplexerer Gehirnmodelle sein. Diese Modelle könnten uns helfen, besser zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert und welche erstaunlichen Dinge es leisten kann.

„Das menschliche Gehirn ist eines der komplexesten bekannten Systeme, und viele Eigenschaften der Details, die seine Struktur bestimmen, sind noch nicht verstanden“, sagte Istvan Kovacs von der Northwestern University, der leitende Autor der Studie. „Mehrere andere Forscher haben die Kritikalität des Gehirns im Hinblick auf die Neuronendynamik untersucht. Aber wir betrachten die Kritikalität auf struktureller Ebene, um letztendlich zu verstehen, wie dies die Komplexität der Gehirndynamik untermauert. Das war ein fehlendes Puzzlestück in unserer Vorstellung über die Komplexität des Gehirns. Anders als bei einem Computer, wo jede Software auf derselben Hardware laufen kann, sind im Gehirn die Dynamik und die Hardware eng miteinander verbunden.“

„Die Struktur des Gehirns auf zellulärer Ebene scheint sich in der Nähe eines Phasenübergangs zu befinden“, sagte Helen Ansell von der Northwestern University, die Erstautorin der Studie. „Ein alltägliches Beispiel hierfür ist, wenn Eis zu Wasser schmilzt. Es sind immer noch Wassermoleküle, aber sie durchlaufen einen Übergang von fest zu flüssig. Wir sagen sicherlich nicht, dass das Gehirn kurz vor dem Schmelzen steht. Tatsächlich haben wir keine Möglichkeit zu wissen, zwischen welchen zwei Phasen das Gehirn wechseln könnte. Denn wenn es sich auf einer der beiden Seiten des kritischen Punkts befände, wäre es kein Gehirn.“

Die Studie wurde am 10. Juni veröffentlicht in Nachrichtenphysik, eine von Nature Portfolio veröffentlichte Zeitschrift.

Den Forschern zufolge könnten diese Entdeckungen Einfluss auf die Entwicklung neuronaler Netzwerke in Computern sowie auf statistische Modelle des Gehirns haben. Darüber hinaus fügen sie hinzu, dass sie weitere Forschungen durchführen und viele Lebewesen untersuchen werden, um festzustellen, ob der Kritikalitätszustand auch allgemeiner anwendbar ist.