De samme regler for fysikk som styrer molekyler som de kondenserer fra gass til væske eller fryse fra flytende til fast, gjelder også for aktiviteten mønstre av nerveceller i den menneskelige hjernen.
University of Chicago matematiker Jack Cowan vil tilby dette og beslektede innsikt i fysikken i hjernens aktivitet denne uken i Boston under den årlige møtet i American Association for Advancement of Science.
"Structures bygget fra et meget stort antall enheter kan vise skarpe overganger fra en tilstand til en annen stat, som fysikerne kaller faseoverganger," sa Cowan, professor i matematikk og Neurology i Chicago. "Strange og interessante ting skjer i nabolaget i en fase overgang."
Når væsker gjennomgå faseoverganger, fordamper de inn gass eller fryse til is. Når hjernen gjennomgår en fase overgang, flyttes det fra random til mønstrede aktivitet. "Hjernen i ro produserer tilfeldig aktivitet," Cowan sa, eller hva fysikerne kaller "Brownske bevegelser."
Selv om mesteparten av hans arbeid innebærer utlede ligninger, Cowan funn mesh godt med laboratorie data som genereres på cerebral cortex og electroencephalograms. Hans siste funn viser at den samme matematiske verktøy fysikere bruker for å beskrive oppførselen til subatomære partikler og dynamikken i væsker og faste stoffer kan nå brukes for å forstå hvordan hjernen produserer sine ulike rytmer.
Disse inkluderer deltaet bølgene genereres under søvn, alfa bølger av den visuelle hjernen, og gamma bølgene, oppdaget i løpet av det siste tiåret, noe som virker relatert til informasjonsbehandling. "Det hviler tilstand av hjernens aktivitet synes å ha en statistisk struktur som er karakteristisk for en bestemt type faseovergang," Cowan sa. "Hjernen liker å sitte der fordi det er stedet hvor informasjonsbehandling er optimalisert."
Cowan organiserte en session for AAAS på Mathematics and the Brain, som finner sted fra 08:30 til 10 am EST lørdag 16 februar Han vil også delta i en nyhetsmelding orientering om temaet kl 15:00 EST fredag 15 februar Bli med ham på begge arrangementene vil være matematiker Nancy Kopell av Boston University og beregningsorientert hjerneforsker Tomaso Poggio av Massachusetts Institute of Technology.
På dette stadiet av sin forskning, sa Cowan det ville være for tidlig og spekulative for ham å prøve å forholde seg hvordan faseoverganger i hjernen kan relateres til nevrologiske tilstander eller tilstander av menneskets bevissthet. "Det er for fremtiden," sa han.
En annen del av hans nyeste forskning er det nære forholdet mellom spontane mønster dannes i hjernen kretser og i kjemisk reaksjon nettverk. I denne forskningen, viser han hvordan matematikk kan bidra til å forklare visuelle hallusinasjoner og hvordan visuell cortex fikk sin striper som er synlige for det blotte øyet når fjernet fra kadavre.