Scientific evidence last week on "Chaos."

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  • Date: Thu, 26 Mar 2009 11:26:16 -0000

Brain lives at "edge of chaos"

March 18, 2009
Courtesy Public Library of Science
and World Science staff

U.K. re­search­ers are of­fer­ing new ev­i­dence that the hu­man brain lives 
"on the edge of chaos," at a crit­i­cal tran­si­tion point be­tween 
ran­dom­ness and or­der. 

The stu­dy, pub­lished March 20 in the re­search jour­nal PLoS Com­puta­t­ional 
Bi­ol­o­gy, pro­vides ex­pe­ri­men­tal da­ta on an idea pre­vi­ously fraught 
with the­o­ret­i­cal specula­t­ion.

Sci­en­tists have iden­ti­fied a phe­nom­e­non they call self-or­gan­ized 
crit­i­cal­ity—where sys­tems spon­ta­ne­ously or­gan­ize them­selves to 
op­er­ate at the bor­derline be­tween or­der and chaos—in many dif­fer­ent 
phys­i­cal sys­tems, in­clud­ing avalanches, for­est fires, earth­quakes, and 
heart rhythms. 

Ac­cord­ing to the stu­dy, by a team from the Uni­ver­s­ity of Cam­bridge, the 
Med­i­cal Re­search Coun­cil Cog­ni­tion & Brain Sci­ences Un­it, and the 
Glax­o­SmithK­line Clin­i­cal Un­it Cam­bridge, hu­man brain net­work 
dy­nam­ics have some­thing im­por­tant in com­mon with some su­per­fi­cially 
very dif­fer­ent sys­tems in na­ture.

Com­puta­t­ional net­works show­ing these char­ac­ter­is­tics have al­so been 
shown to have the best mem­o­ry and in­forma­t­ion-processing ca­pacity, 
re­search­ers say: crit­i­cal sys­tems can re­spond quickly and ex­ten­sively 
to small changes in their in­puts.

"Due to these char­ac­ter­is­tics, self-or­gan­ized crit­i­cal­ity is 
in­tu­i­tively at­trac­tive as a mod­el for brain func­tions such as 
per­cep­tion and ac­tion, be­cause it would al­low us to switch quickly 
be­tween men­tal states in or­der to re­spond to chang­ing en­vi­ron­men­tal 
con­di­tions," said co-author Man­fred Kitzbich­ler of Cam­bridge.

The re­search­ers used brain im­ag­ing tech­niques to meas­ure dy­nam­ic 
changes in the syn­chron­iz­a­tion of ac­ti­vity be­tween dif­fer­ent re­gions 
of the func­tion­al net­work in the hu­man brain. They al­so in­ves­t­i­gated 
the syn­chron­iz­a­tion of ac­ti­vity in com­puta­t­ional mod­els, and found 
that the "dy­nam­ic pro­file" they had iden­ti­fied in the brain was ex­actly 
re­flected in the mod­els. 

"A nat­u­ral next ques­tion we plan to ad­dress in fu­ture re­search will be: 
How do meas­ures of crit­i­cal dy­nam­ics re­late to cog­ni­tive per­for­mance 
or neu­ro­psy­chi­atric disor­ders and their treat­ments?" said Kitzbich­ler.

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