脳のスイートスポット：批判的性が学習、記憶のロックを解除し、そしてアルツハイマー病を防ぐことができる方法

「人間の脳は宇宙で最も複雑なものであるという一般的な認識がある」とヘンゲンは言った。 「脳は非常に強力ですが、その力は比較的単純な数学の原則から生じる可能性があります。」

ヘンゲンは、私たちの脳が行うほとんどすべてのことが経験によって学ばれるか、強力に形作られているという前提から始めます。言い換えれば、私たちは、自動車を読んだり、運転したり、毎日行っていることをするのに役立つように、事前にプログラムされたハードワイヤードサーキットで生まれていません。健康な脳は、何でもすべてを学ぶ準備ができている必要があります。

しかし、ニューロンのコレクションはどのように学習できるのでしょうか？ヘンゲンは、脳が「臨界」と呼ばれる特別な状態に到達したときにのみ学習機械になることを示唆しています。物理学から借用された概念であるクリティカルは、秩序とカオスの間の転換点にある複雑なシステムを説明しています。このかみそりの端で、脳は新しい情報を得るために準備されている、とヘンゲンは言った。 「脳は、考え、覚え、学ぶために批判的に到達する必要があります。」

ヘンゲンは、名誉あるジャーナルで脳機能と疾患の統一理論として批判を提案しました ニューロン。アーカンソー大学の物理学者であるWoodrow Shewは、共著者です。

生物学者と物理学者は奇妙なペアリングのように見えるかもしれませんが、新しい統一理論は両方の科学の領域を融合しています。物理学者はしばしば、砂の山の古典的な例を使用して批判を説明します。砂が追加されると、最終的に雪崩まで杭が急で急勾配になります。その最後の穀物が混乱の瞬間を引き起こす直前に、山は不安定性から一歩離れた批判的な角度にありました。

Shewは、物理学者が最初に磁石やその他の材料を記述する方法として批判を深く理解したと説明した。 21世紀の変わり目頃、これらのアイデアは、雪崩、地震、そして最終的には生きているシステムと脳など、より広範な複雑なシステムを説明するために拡張されました。

重要なシステムの決定的な側面は、それらがあらゆるスケールで同じように見えることです。雪崩の瀬戸際にある砂の山は、山が小さくても山のように同じ斜面を持っています。脳では、一握りのニューロンで測定されるか領域全体で測定されるかどうかにかかわらず、臨界性は一定です。同様に、時間的に展開する脳パターンは、ミリ秒または時間で考慮されると驚くほど似ています。 「これは、脳がどのように機能するかについての私たちの直感的な理解と一致している」とヘンゲンは言った。 「私たちの内部経験は、ミリ秒から数ヶ月にわたって及びます。彼らはスケールを持っていません。」

ヘンゲンとシューは、重要性が単なる理論的概念ではないことを示唆しています。これは、fMRI脳イメージングテクノロジーを通じて正確に測定および計算できる状態です。 「臨界は脳の最適な計算状態です」とヘンゲンは言いました。 「私たちは、脳がどれほど近いかを測定する数学的な方法を開発しました。これは、人間の脳がどのように機能するかについての基本的な質問を特定するのに役立つはずです。」

病気の新しい理解

重要性フレームワークは、神経疾患を理解するための新しい視点を提供します。ヘンゲンは、特定の損傷した脳領域や蓄積されたタンパク質に焦点を当てるのではなく、アルツハイマー病などの病気がより基本的なものを破壊すると主張します。

「アルツハイマー病およびその他の神経変性疾患は、ニューロンを損傷するだけでなく、ゆっくりと臨界を溶解することによって脳の一般的な能力を破ります」とヘンゲンは説明しました。 「脳が批判からさらに動くにつれて、情報を効果的に適応させ、処理する能力を失います。」

このフレームワークは、脳疾患の不可解な特徴を説明しています。患者は多くのニューロンを失うまで完全に正常に見えることがよくあります。 「脳には、臨界性が侵食され始めたとしても、機能的な問題を隠すことができる顕著な代償能力があります」とヘンゲンは言いました。 「従来の評価は、脳が回避策を通じて維持しようとする確立されたエンドポイントに焦点を合わせているため、初期段階を見逃しています。」

臨界性が徐々に悪化するにつれて、脳は同じ認知結果を達成するために一生懸命働いている、とヘンゲンは言った。 「それはまだ動作しているが、より多くの燃料を必要とし、より多くの熱を発生させるエンジンのようなものです。記憶の問題やその他の症状に気付くまでに、批判は何年も妥協されている可能性があります。」

ヘンゲンとデビッド・M・ホルツマン、メリーランド州、バーバラ・バートン、ルーベン・M・モリスIIIのワシュ・メディシンの著名な教授は、アルツハイマー病のタウ・タンパク質の蓄積が批判的性を直接混乱させ、病気の分子特徴と認知崩壊の間の明確なリンクを提供することを明らかにしました。

臨界性とアルツハイマー病の間のこのつながりは、刺激的な診断の可能性を開きます。理論的には、単純なfMRIは、症状が現れる前の数年間の故障を検出するのに役立ちます。 「最先端の血液検査と組み合わせて、不可逆的な損傷が発生する前に、リスクのある人々を特定し、介入することができました」とヘンゲンは言いました。

別のコラボレーションで、ヘンゲンはディアナ・バーチ、グレゴリー・B・ワシュ・メディシンの精神医学教授、芸術科学の心理学的および脳科学の教授と協力しました。 「当初から、一部の子供たちは他の子供たちよりも批判的性に近づいています。これは、私たちの理論に基づいて、彼らがより良い学習者になることを示唆しています」とヘンゲンは言いました。 「多くの外部要因は学校での成功に影響を与える可能性がありますが、批判的性は、子どもたちの間の変動の印象的な量を説明することができます。」

スリープマインド接続

2024年初頭、Washuの芸術科学物理学の教授であるHengenと共著者のRalf Wesselは、臨界性の概念を使用して、昔からの質問を再訪しました。なぜ睡眠が必要なのですか？数週間にわたって脳の活動を追跡することにより、彼らは睡眠が臨界状態を回復することを発見しました。 「目を覚ましてアクティブになると、私たちを批判から遠ざけることができ、睡眠はリセットボタンのようなものです」とヘンゲンは説明しました。

その洞察は、研究者がアルツハイマー病やその他の神経疾患の治療として睡眠の力を解き放ち、脳を最適な状態から遠ざけます。 Holtzmanなどによる以前の研究では、必要な睡眠をとらない人は、おそらくシフトの仕事や慢性の不眠症のために、アルツハイマー病の年をとるにつれてはるかに高いリスクがあることがわかりました。そして、睡眠介入がアルツハイマー病の症状の進行を遅らせるのに役立つ可能性があるといういくつかの証拠がすでにあります。

ヘンゲンは、ターゲットを絞った集中的な睡眠ベースの治療が、脳疾患のある人の批判を回復し、学習と記憶を改善するのに役立つと考えています。 Hengen’s Labのポスドク研究者であるHoltzmanとJames McGregorが実施したマウスの研究は、可能性を垣間見ることができます。マウスは、標的を絞った睡眠介入の後、アルツハイマー病の症状がより高速な学習者になるように特に繁殖しました。

重要な未来

やるべきことがたくさんありますが、ヘンゲンは最終的に、人間の神経生物学の複雑な特徴を説明するのに批判的性がどのように役立つかを理解したいと思います。 「たとえば、素晴らしいアーティストである人が、創造的なアイデアに関与する脳の一部で非常に批判的に近いかもしれないことに気付くかもしれません」と彼は言いました。また、重要性をよく見ると、アウトレットが必要な未発見の傾向や才能を指し示す可能性があります。 「たぶん彼らはアートを試したことがないかもしれませんが、可能性がそこにあることがわかります。」

それまでの間、ヘンゲン、シュー、その他は批判の重要性について言葉を広めています。ヘンゲンは、2024年にこのテーマに関するTEDXの講演を発表し、芸術科学の最初の研究ピッチコンペティションで彼の作品を共有し、そこで2位になりました。彼は、新しいニューロンペーパーが神経科医、医師、記者、および一般大衆の間の会話を鼓舞することを望んでいます。

心の統一された理論は世界を変える可能性がありますが、最初に、それは専門家を統一しなければなりません。 「ウッディ（シュー）と私は本当にここで何かをしていると思う」とヘンゲンは言った。 「そして、おそらくゆっくりと、他の人は同意し始めています。」

ウォッシュは、脳の新しい概念が出現する理想的な場所でした、とヘンゲンは言いました。 「私たちは物理学、生物学、心理学、数学、神経科学など、多様な分野の華麗な人々に囲まれており、ここのコミュニティは非常に支持的です」と彼は言いました。 「誰もが助ける準備ができています。」