Unglaubliche Entdeckung: Menschliche Neuronen stecken zwischen sich verändernden Phasen der Materie fest, sagen Wissenschaftler

Die Neuronen unseres Gehirns existieren möglicherweise nicht in einem einzigen Materiezustand, wie neue Forschungen nahelegen. Laut einer Studie, die im Journal Communications Physics veröffentlicht wurde, haben Forscher Anzeichen dafür gefunden, dass diese Hirnstrukturen einen kritischen Punkt erreichen oder nahe daran sind. Dabei wechseln die Neuronen ständig zwischen zwei verschiedenen Materiezuständen hin und her und können nicht eindeutig einem davon zugeordnet werden.

„Die Struktur des Gehirns auf zellulärer Ebene scheint sich einem Phasenübergang zu nähern“, sagte die Studienleiterin Helen Ansell von der Abteilung für Physik und Astronomie der Northwestern University in einer Erklärung zu der Arbeit. „Ein alltägliches Beispiel dafür ist, wenn Eis zu Wasser schmilzt. Es sind immer noch Wassermoleküle, aber sie durchlaufen einen Übergang von fest zu flüssig.“

Was diese beiden Zustände sind, bleibt unbekannt. Die Ergebnisse verdeutlichen jedoch die Komplexität der internen Mechanismen unseres Gehirns und bieten eine Erklärung dafür, wie unser weiches, unscheinbares graues Gewebe Gastgeber für etwas so Komplexes wie das Bewusstsein sein kann – während sie auch darauf hindeuten, dass menschliche Gehirne möglicherweise mehr mit den Gehirnen weniger komplexer Kreaturen gemeinsam haben als bisher angenommen.

Ein Schlüsseldetail ist laut den Forschern, dass die Hirnstrukturen nie auf einem bestimmten Zustand verharren – „denn wenn sie sich auf einer Seite des kritischen Punktes befänden“, erklärte Ansel, „wäre es kein Gehirn.“ Offensichtlich gedeiht das Gehirn in diesem permanenten Schwebezustand.

Die Struktur der Neuronen wird als sogenannte Fraktale betrachtet, die selbstähnliche – oder „skaleninvariante“ – Formen sind und in jeder Größe gleich aussehen. Zoomt man heran, werden die kleineren Strukturen eines Fraktals praktisch identisch mit den größeren sein.

Bei der Untersuchung öffentlich verfügbarer Daten von 3D-Rekonstruktionen menschlicher, Fruchtfliegen- und Mausgehirne beobachteten die Forscher, die einen statistisch-physikalischen Ansatz verfolgten, diese sich wiederholenden fraktalen Muster in den Neuronen. Sie stellten jedoch auch fest, dass die Größen der Neuronensegmente signifikant variierten. Diese Dichotomie aus Ordnung und Vielfalt deutet ihrer Meinung nach stark darauf hin, dass sich Materie einem kritischen Punkt nähert.

„Diese Dinge sehen wir in allen kritischen Systemen in der Physik“, sagte Mitautor István Kovács von Northwestern in der Erklärung. „Es scheint, als ob das Gehirn in einem labilen Gleichgewicht zwischen zwei Phasen ist.“

Ebenso faszinierend ist es, dass die Forscher diese Anzeichen für Kritikalität auch in Fruchtfliegen- und Mausgehirnen fanden – und nicht nur in menschlichen -, obwohl sie wenig anderes gemeinsam haben.

„Zunächst sehen diese Strukturen recht unterschiedlich aus – ein ganzes Fliegengehirn ist ungefähr so groß wie ein kleines menschliches Neuron“, sagte Ansell. „Aber dann fanden wir überraschend ähnliche emergente Eigenschaften.“

Dies könnte darauf hindeuten, dass Kritikalität allen Arten von Gehirnen gemeinsam ist. Doch bis die Forscher ihre Analyse auf weitere Hirnrekonstruktionen anwenden können, bleibt dies – verzeihen Sie uns – ein Graubereich.