Как теория струн помогла разгадать тайну архитектуры мозга

Используя ту же математику, что и исследователи теории струн, специалисты по сетям разгадали давнюю загадку архитектуры мозга.

Насколько эффективен ваш мозг? С 1940-х годов ученые предполагали, что связи между нейронами проходят по кратчайшему пути между двумя точками, прямой линии от нейрона А к нейрону В. Но недавние данные наблюдений в значительной степени противоречат этой гипотезе.

Когда модель масштабируется от нескольких точек на двумерной поверхности до тысяч точек в трехмерном пространстве, все из которых взаимодействуют и соединяются неопределенным образом, наиболее эффективные пути становятся сложными математическими задачами.

В ходе исследования, проведенного Институтом сетевых наук Северо-восточного университета, было сделано неожиданное открытие: некоторые математические методы, используемые для описания теории струн, которая пытается осмыслить квантовый мир, могут быть применены для решения вопроса о том, почему нейроны разветвляются и соединяются именно таким образом.

Статья «Оптимизация поверхности определяет локальную структуру физических сетей» появилась на обложке журнала Nature в этом месяце.

Создание связей в мозге

Начиная с 1940-х годов, говорит заслуженный профессор Северо-восточного университета Альберт-Ласло Барабаши, ученые выдвинули гипотезу, что нейроны мозга будут оптимизировать свои связи, выбирая кратчайший путь, «потому что создание связей очень затратно». Биологические системы, как правило, стремятся экономить энергию.

Ученые называют эти правила выбора кратчайшего расстояния «принципами минимизации».

Однако, продолжает Барабаши, по мере того, как благодаря усовершенствованным технологиям визуализации стали возможны более подробные карты мозга, стало ясно, что нейроны не ведут себя в соответствии с ожидаемыми принципами минимизации.

Например, говорит он, если нейрон разделяется, как ветка дерева может разделиться на две меньшие ветви, преобладающая теория предполагает, что две меньшие ветви должны находиться в одной плоскости. Однако наблюдения за нейронной сетью мозга показывают, что это не так. Вместо этого они наблюдали множество маленьких ветвей, направленных под прямым углом друг к другу, перпендикулярно.

Новые наборы данных также противоречили нескольким другим предсказаниям, сделанным в рамках преобладающей теории, говорит он, добавляя, что «возникла необходимость в новой теории».

Поэтому Барабаши и его межуниверситетская команда решили определить, «действительно ли принципы минимизации играют роль в этих физических сетях», — говорит он, оставляя этот вопрос открытым. Возможно, принципы минимизации, по крайней мере в отношении архитектуры мозга, окажутся совершенно необоснованными.

Математика и человеческий мозг

Чаба Бот, аспирант в области сетевых наук и соавтор проекта, говорит, что физические системы просто не оптимизируют свою общую длину связей. Ученые ранее не учитывали тот факт, что нейроны, какими бы маленькими они ни были, все еще являются «физическими объектами, сделанными из материала», и этот материал ограничивает возможности формирования сети.

Барабаши и его команда разработали новую методологию, которую они называют минимизацией поверхности. Согласно этой методологии, вместо простой попытки минимизировать длину, физические сети минимизируют свои поверхности, «что естественным образом объясняет их разветвленную геометрию и связность», — продолжает Боут.

Барабаши сравнивает это с мозаикой, состоящей из множества маленьких фрагментов.

«Это математически очень, очень, очень, очень сложная проблема, — считает он, — потому что поверхности очень сложны». Но их ждал прорыв, осознание того, что математический подход к решению этой проблемы уже существует, хотя и в другой дисциплине: теории струн.

Теория струн — это порой спорная (поскольку её так трудно проверить экспериментально) попытка объяснить странный квантовый мир, лежащий в основе реальности, согласно Space.com. Эта теория рассматривает мельчайшие субатомные частицы (меньше протонов или нейтронов, даже меньше кварков, из которых состоят эти другие частицы) не как частицы, а как вибрирующие одномерные «струны».

Прорыв произошел благодаря Сянъи Мэну, первому автору статьи и бывшему аспиранту Барабаши, ныне доценту Политехнического института Ренсселера, который вспомнил, что струны в теории струн «по сути, представляют собой трехмерные деревья, поверхность которых необходимо минимизировать», — говорит Барабаши. При моделировании теории струн астрофизики и космологи используют так называемые диаграммы Фейнмана, названные в честь физика Ричарда Фейнмана, лауреата Нобелевской премии, именно для этой цели.

Они обнаружили, что те же математические инструменты, разработанные теоретиками струн для работы с диаграммами Фейнмана, применительно как к мозгу, так и к другим видам физических систем, позволяют с высокой степенью точности предсказывать, как соединяются нейроны.

Космологический разум?

«Мы не утверждаем, что теория струн и мозг похожи», — отмечает Барабаши, предотвращая любые заявления о том, что мозг может быть макрокосмом квантового мира. Скорее, это математика, которая функционирует в обоих масштабах. «Они должны минимизировать поверхности», — говорит он, имея в виду своих коллег-теоретиков струн, — «мы должны минимизировать поверхности».

Барабаши предупреждает, что это фундаментальное исследование, и что практическое применение их открытия, вероятно, еще впереди. Однако они заложили основу для лучшего понимания того, как развивается мозг, потенциально предоставляя «более глубокое понимание того, как сети балансируют эффективность с функциональными требованиями», — говорит Бот.

Будущие исследования, продолжает Бот, будут направлены на понимание того, как минимизация поверхности влияет на фактическое функционирование физических систем, и не только в мозге. Математика, по его словам, применима к физическим системам от мозга до сосудистой системы и коралловых рифов.

«Самый большой сюрприз — это само существование этой связи между областью теории струн и проблемой минимизации поверхности, — говорит Барабаши, — и то, как это решает загадку, которой почти 80 лет».

Разгадка этой загадки стала возможной благодаря тому, что «только за последние пять лет мы начали получать точные трехмерные карты отдельных нейронов», — говорит он.

Это действительно «передовые исследования», — добавляет Барабаши.

Источник: https://news.northeastern.edu/2026/01/07/string-theory-neuron-connections/

Само исследование: https://www.nature.com/articles/s41586-025-09784-4