Cervello frattale: pensieri frattali

I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno compiuto un grande passo in avanti quest'anno per capire come funziona il nostro cervello. Sembra che il cervello abbia un'organizzazione frattale. Questo probabilmente ci dà molto di ciò che consideriamo umano. E a un livello più profondo questi risultati possono aiutare a connetterci in modo molto fondamentale al resto del mondo naturale.

Il team di ricerca di Kitzbichler, Smith, Christensen e Bullmore ha pubblicato i risultati in un articolo intitolato "Critica della banda larga della sincronizzazione della rete cerebrale umana", disponibile gratuitamente on-line. Ho avuto l'articolo per circa sei mesi e avevo intenzione di pubblicare qualcosa su di esso. Quindi, all'inizio, vorrei ringraziare "Neel" per avermi fatto effettivamente rileggere l'articolo e postare qualcosa con un'interessante domanda che ha posto sulla complessità e l'intelligenza neurologica al blog Chaotic Life di Psychology Today il mese scorso. Vorrei anche ringraziare il mio amico e collega di New York, Grant Brenner, per avermi avvisato dell'articolo quando è uscito.

Il design, i risultati e il contesto di questo studio sono molto sofisticati e le implicazioni sono piuttosto astratte. Quindi farò del mio meglio per essere chiaro. Prima il contesto: molti sistemi naturali esibiscono organizzazione e comportamento frattali. Un frattale è una struttura a forma di ramo. Pensa ad un albero: (1) Gli alberi hanno molti più piccoli rami di quelli grandi. Questa caratteristica è anche talvolta chiamata "legge di potere" o "legge di potere inverso" o un'organizzazione "1 / f". Ognuno di questi termini significa che ci sono in modo esponenziale rami più piccoli rispetto a quelli grandi. (2) Gli alberi sono "auto-simili", il che significa che i piccoli modelli di ramificazione assomigliano a quelli più grandi. Questa caratteristica è talvolta chiamata anche "invarianza di scala" o "scala libera" perché, indipendentemente dalla dimensione che si sta osservando, la forma di ramificazione generale è la stessa. (3) La complessità dei modelli di ramificazione degli alberi può essere quantificata. I frattali sono chiamati "frattali" perché esistono in dimensioni frazionarie. Una linea si adatta perfettamente in una dimensione. Un piano (come un pezzo di carta) si adatta in due dimensioni. I frattali si inseriscono tra una linea e un piano (o nel mondo reale tra due e tre dimensioni). Più semplicemente, perché sono così complessi, con un numero enorme di piccoli rami, gli alberi non raggiungono mai tre dimensioni. Se li metti in una scatola, ci sarà sempre un po 'di spazio.

È possibile riconoscere rapidamente che molte altre strutture naturali oltre agli alberi sono frattali: neuroni, fiumi, sistema respiratorio, sistema circolatorio, linee di faglie geologiche, fiocchi di neve e così via.

I sistemi naturali producono anche un comportamento frattale nel tempo o in dinamica. I terremoti sono un esempio comune. Ci sono molti più piccoli terremoti di quelli di grandi dimensioni (il che è comunque carino). Altri esempi includono la dimensione degli eventi di estinzione nelle specie animali, il numero di pubblicazioni accademiche (alcuni ricercatori fanno enormi quantità di lavoro e il resto di noi fa solo un po '), il numero di accessi ai siti web, i tempi di attesa in stop-and -trasformare il traffico e l'uso delle parole in letteratura (ad esempio la legge di zipf).

Perché i sistemi fanno questo? Ci sono molte ragioni. Essenzialmente, i sistemi frattali hanno molte opportunità di crescita, cambiamento e riorganizzazione. Eppure sono anche molto robusti. Mantengono la loro coerenza; tengono insieme bene, anche in circostanze difficili. Sono equilibrati in questo senso, tra ordine e caos. Sono semplici, ma anche molto complessi. Questo equilibrio viene spesso definito "criticità", quindi il titolo dell'articolo: "Critica della banda larga". Il termine "auto-organizzato" viene spesso aggiunto perché i sistemi tendono a diventare frattali da soli, semplicemente mettendo un sacco di componenti del sistema insieme e consentendo loro di scambiare informazioni. Pensa a una festa. Tutto ciò che devi fare è trovare abbastanza persone nello stesso luogo e momento e inizieranno a formare schemi complessi di connessione tra loro.

I sistemi critici auto-organizzanti sono anche molto bravi a connettere, sia internamente che con altri sistemi circostanti. I rami di un albero sono collegati in un modo molto carino. Se scuoti un ramo, vedrai un'ampia scia attraverso l'albero. Le strutture frattali si adattano bene. Eppure i rami possono essere tagliati senza intaccare la struttura generale. Infatti, se li tagli abbastanza lontano (al di sopra del bocciolo di crescita, "crescita post-traumatica" o "qualsiasi cosa non ti uccida ti rende più forte") cresceranno spesso anche più forti, con connessioni più complesse nei rami esterni. Infine, i modelli ramificati si connettono facilmente ad altri sistemi: una rete letterale di vita. Un albero con molti rami frattali (e anche radici) può connettersi meglio al sole (e al suolo) per raccogliere e scambiare i nutrienti che sostengono la vita.

Negli ultimi 10-20 anni, i ricercatori in psicologia hanno trovato esempi crescenti di modelli frattali in ognuno dei domini della psicologia: compresi comportamenti intenzionali, ricerca visiva e modelli di discorso. Nel mio laboratorio, negli ultimi anni, abbiamo scoperto che le relazioni interpersonali sono organizzate come frattali e più recentemente che l'idea di sé è un frattale, con la complessità associata alla salute in entrambi i campi psicologico e sociale. Inoltre, sembra che la complessità (o la rigidità) dei frattali sia abitualmente scambiata tra i processi biologici, psicologici e sociali. La struttura della personalità frattale ci aiuta a crescere e a connetterci, così come le relazioni frattali, e ciascuna probabilmente ha influenze dirette sulla salute fisica incoraggiando l'integrazione e la flessibilità tra i sistemi circolatorio, respiratorio e immunitario.

Lo studio di Kitzbichler et al (2008) ha aggiunto a molte ricerche precedenti che suggeriscono che il cervello esibisce un comportamento frattale. Ciò rende necessario un collegamento tra i processi fisici del cervello e ciascuno dei frattali su larga scala che vediamo nella più ampia personalità e nelle relazioni sociali. È chiaro che le dinamiche biologiche, psicologiche e sociali sono altamente interconnesse tra le varie scale, ognuna delle quali si ripercuote nel tempo in una miriade di modi. Con un'organizzazione frattale a ciascuna di queste scale, si può proporre che, per certi versi, siano tutte parti dello stesso albero frattale per così dire.

Kitzbichler et al (2008) hanno usato due misure di sincronizzazione tra sistemi cerebrali: (1) "intervallo di fase-blocco" e "labilità della sincronizzazione globale". L'intervallo di fase-blocco è la quantità di tempo che stanno facendo le diverse regioni del cervello la stessa cosa insieme – la quantità di tempo in cui sono sincronizzati. Essenzialmente, questa è una misura basata sul tempo della coordinazione del sistema cerebrale. L'altra misura, "labilità della sincronizzazione globale" è una misura basata sullo spazio. Questa misura ti dice quanto sono globali i cambiamenti nella sincronizzazione del sistema cerebrale, quanto sono ampi, quanto lontano.

Tralasciando i numerosi e meravigliosi dettagli tecnici delle loro analisi, hanno scoperto che entrambe le misure mostravano una chiara configurazione frattale. Ciò significa che la quantità di tempo che le diverse regioni del cervello trascorrono in sincronia è ramificata – con molti tempi di collegamento brevi e meno lunghi. E la diffusione di questi collegamenti tra le regioni del cervello era anch'essa ramificata, con molti piccoli spread e pochi grandi.

Questi risultati, insieme alle prove che li hanno preceduti, forniscono un'immagine molto più vera di come il cervello è organizzato e come funziona. Questo è il nucleo della ricerca di base. Le applicazioni di questi risultati possono essere considerate virtualmente illimitate e col tempo incideranno su ogni ramo della neuroscienza applicata: intelligenza, coscienza, empatia, medicina del corpo-mente, psichiatria e psicoterapia.

Ciò su cui preferirei speculare sarebbe invece le implicazioni più ampie. In effetti, ciò che suggeriscono questi robusti risultati all'interno del cervello è un possibile meccanismo per la "Connettività a banda larga" che condividiamo con il resto del mondo naturale. In quanto le dinamiche frattali nella sincronizzazione della banda larga esistono ad ogni scala della realtà misurabile – da quella quantistica a quella cosmica, forse la coscienza umana è sia semplicemente e profondamente un portale attraverso il quale fluisce tale connettività frattale. Forse i legami che influenzano così la nostra crescita e integrazione alle scale biopsicosociali si estendono molto più profondamente nelle radici della materia, e molto più lontano nel cosmo di quanto la scienza modernista abbia mai immaginato. La scienza sembra avvicinarsi a un periodo di neo-vitalismo, con modi scientificamente radicati di esplorare l'affascinante visione del mondo delle nostre civiltà di radice – che tutto nella vita è connesso e che tutto l'universo è vivo in queste connessioni.

Certo, alcune connessioni sono più prossime di altre. Kitzbichler et al. trovò che le regioni cerebrali funzionalmente connesse erano più probabilità di trovare e rimanere in sincronia tra loro per periodi di tempo più lunghi, ottenendo misure di complessità frattale che erano meno flessibili delle connessioni tra regioni più distanti. Allo stesso modo, il tuo compagno di vita avrà più probabilità di farti impazzire della luna.

Tuttavia, sarà interessante vedere se alcuni stati sistemici incoraggiano la coerenza, ingrandendo le connessioni tra sistemi apparentemente separati. Ad esempio, la risposta allo stress umano è un probabile candidato per aumentare la coerenza a breve termine tra i processi biologici, psicologici e sociali. Quando sei stressato, i tuoi sistemi corporei si uniscono, i tuoi sistemi psicologici diventano chiari e concentrati, e le tue dinamiche sociali diventano coerenti così come ti unisci e formi rigide gerarchie di leadership. Lo stress umano ha impatti più ampi? Il loro effetto può essere misurato fino al reame quantico? Al contrario, i sistemi quantistici possono essere "stressati" portandoli a raggiungere il nostro mondo macro? Forse sì, forse no. Una cosa è certa, questo blog è già un modo lungo e astratto per considerare pienamente queste possibilità. Forse un altro giorno ..?

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