Een recent onderzoek, gepubliceerd op 6 november in de Physical Review Letters, onthult fascinerende wiskundige patronen in de organisatie van de menselijke hersenen in rust. Het onderzoek, uitgevoerd door wetenschappers van de Federal University of Pernambuco (UFPE), onder leiding van Daniel Castro, Ernesto Raposo, Mauro Copelli en Fernando Santos van de Universiteit van Amsterdam, laat zien dat de menselijke hersenen een geavanceerd systeem zijn dat zichzelf organiseert, waarbij de activiteit op verschillende schalen met elkaar samenhangt en gerelateerd is aan zowel cognitieve als structurele functies.
Met behulp van tijdreeksen van functionele magnetische resonantiebeelden (fMRI) in rusttoestand, pasten de onderzoekers een fenomenologisch renormalisatiegroep-methode toe om de resolutie van de data te verminderen. Dit proces leidde tot de schatting van drie schaalexponenten: de variantie van de tijdreeks, de logarithme van de stilteschattingsprobabiliteit en de grootste eigenwaarde van de covariantiematrix.
De resultaten tonen aan dat deze drie exponenten niet onafhankelijk van elkaar variëren, maar eerder lineaire analytische relaties tussen hen vertonen. Dit wijst op een intrinsieke organisatie van de hersenactiviteit op verschillende “zoomniveaus”. Bovendien vertoonden deze exponenten statistisch significante correlaties met klinische variabelen, zoals het volume van grijze stof, en gedragsvariabelen, zoals cognitieve prestaties. Dit soort organisatie doet denken aan wat we zien in fysische systemen dicht bij kritische transitiepunten, waar verschillende variabelen zich aan universele schaalwetten onderwerpen. Het onderzoek suggereert dat de hersenen kunnen functioneren in een analoge toestand, tussen orde en wanorde, wat zowel stabiliteit als flexibiliteit biedt.
Volgens de wetenschappers van UFPE bieden deze bevindingen waardevolle inzichten voor het begrijpen van neurologische aandoeningen, veroudering en therapeutische interventies. Ze wijzen erop dat een brein dat zich dichter bij kritische condities bevindt, een balans tussen gevoeligheid en stabiliteit voor het verwerken en overdragen van sensorische prikkels kan bieden. Dit optimaliseert in theorie de circulatie van informatie in de hersenen, waardoor deze zijn functies efficiënter kan vervullen.
Voor de gemeenschap van onderzoekers in de neurowetenschappen en toegepaste fysica zijn deze ontdekkingen van groot belang om twee hoofdredenen: Ten eerste kunnen schaalexponenten fungeren als potentiële biomarkers voor de gezondheid van de hersenen of voor de aanwezigheid van neurofunktionele veranderingen. Ten tweede wijzen ze erop dat concepten en methoden uit de statistische fysica steeds nuttiger kunnen worden in het begrijpen van de complexiteit van de hersenen.
Het onderzoek is het resultaat van de collectieve inspanningen van verschillende wetenschappers. Prof. Mauro Copelli van de neurofysica en computationele biologie groep van de UFPE heeft meer dan 20 jaar gewerkt aan de interface tussen fysica en biologie, en onderzocht mogelijke handtekeningen van kritische fenomenen in de hersenen. “De idee om dit specifieke hulpmiddel aan te passen voor neuroimaging kwam voort uit de kans om samen te werken met Prof. Fernando Santos, die de capaciteiten van Daniel Castro, een promovendus die al werkte met de renormalisatiegroepmethoden op elektrofysiologische data, in Amsterdam kon benutten voor dit project. Bij zijn terugkeer werkte het team samen met Prof. Ernesto Raposo, die de theoretische aspecten van het werk belichtte,” aldus de wetenschappers.
Het onderzoek is gekoppeld aan twee onderzoeksprojecten gefinancierd door CNPq: een is onderdeel van het Brazil Knowledge Program dat samenwerking met Braziliaanse onderzoekers in het buitenland bevordert en een ander is het recent goedgekeurde INCT Neural Computing-project. Tijdens zijn wetenschappelijke bezoek aan het Dutch Institute for Emergent Phenomena (DIEP) ontving Daniel Castro een beurs van de Universiteit van Amsterdam.
De deelname van de UFPE benadrukt de rol van vooraanstaand Braziliaans onderzoek in dit interdisciplinair veld dat de “onzichtbare symfonie van de geest” verkent via wiskunde, hersenbeelden en complexe systeemtheorie. Als de hersenen tussen orde en improvisatie opereren, is het niet overdreven te zeggen dat ze zich gedragen als een goede jazzband: elk onderdeel klinkt vrij, maar allemaal volgen ze een onzichtbare structuur van interactie. Een muziekstuk dat zichzelf componeert en dat de wetenschap langzaam begint te ontrafelen in zijn schalen. “De complexiteit van de hersenen dwingt ons de bestaande concepten en theorieën over collectief gedrag te heroverwegen en uit te breiden. Hoewel dit wetenschapsgebied nog maar in de kinderschoenen staat, geloven we dat het nastreven van algemene principes zowel waardevolle toepassingen als de schoonheid van het begrijpen van onze omgeving kan opleveren,” concluderen de wetenschappers van de UFPE.
