Media

Nir Lahav is a physicist from Bar-Ilan University working on network theory, nonlinear dynamics, and chaos theory with applications for neuroscience. Collaborating with Zachariah Neemeh, his 2022 paper was chosen as one of the most influential articles of the year by Neuroscience News. We will discuss that paper, titled "A Relativistic Theory of Consciousness." 

There is a subtle order and organization even in chaotic systems! How do synchronization and self-organization emerge from systems that didn’t have these properties to begin with? characterizing and understanding the transition from disorder to synchrony is of fundamental importance . In a 2018 study published in Physics review E, we addressed this challenge in a creative way. We chose to analyze a well-known chaotic system that physicists have studied thoroughly for almost 40 years (known as the Rossler system). Looking at this system in a fresh perspective, they managed to find new phenomena that was overlooked in all these years. The physicists have been able to measure, for the first time, the fine grain process that leads from disorder to synchrony, discovering a new kind of synchronization between chaotic systems. They called this new phenomenon Topological synchronization.

איך הפיסיקה יכולה להסביר היווצרות של מבנים וארגון עצמי כמו שאנו רואים ביצורים חיים? כדי להבין זאת צריך קודם כל להבין את תופעת הסנכרון, איך מערכות שונות מתנהגות לפתע באופן זהה? בייחוד אם המערכות הללו היו מלכתחילה לא מסודרות ואף כאוטיות. במאמר שפורסם בחודש נובמבר 2018 במגזין הפיסיקה Physical Review E הראנו בפעם הראשונה את התהליך המדוייק כיצד שתי מערכות כאוטיות מסתנכרנות. כדי לעשות זאת הסתכלנו אחרת על הבעיה ובמקום לבדוק כיצד מערכות מסתנכרות בפעילות שלהן, בדקנו כיצד המבנים שיוצרת הפעילות מסתנכרנים. לסוג הסנכרון החדש הזה קראנו "סנכרון טופולוגי" ובעזרתו חשפנו תופעות חדשות שלא היו מוכרות, למרות שהמערכת אותה בדקנו היא מערכת מוכרת שנלמדה לעומק במשך ארבעים שנה. גילנו, שבניגוד למה שחושבים עד היום, תהליך הסנכרון הכאוטי הוא תהליך רציף שמתחיל בסינכרונים מקומיים, מבנים קטנים שפועלים לפי המערכת השניה וככל שמגבירים את הקשר בין המערכות המבנים הללו מתרבים עד שבסופו של דבר המערכות מגיעות לסנכרון מושלם. הופתענו לגלות שהסנכרונים המקומיים הללו מתחילים דווקא באזורים של המערכת בהם אין כמעט פעילות ולא מהאזורים בהם מתרחשת רוב פעילות המערכת. כעת ניתן לחפש סנכרון טופולוגי בעוד מערכות שונות בטבע כדי להבין את ההתנהגות שלהן וכיצד נוצר בהן ארגון עצמי, כמו למשל בפעילות המוח. 

How does our brain create consciousness? It's a great mystery! Our 2016 research published in New Journal of Physics tried to find the "conscious network" in the human cortex. We decomposed the structural layers of the human cortical network to different hierarchies enabling to identify the network’s nucleus. This nucleus is the most connected area in the network, from which our consciousness could emerge. 

מהי התודעה וכיצד היא נוצרת? כל העדויות מראות שהתודעה נוצרת במוח, אך כיצד חוקרים מבנה כה מורכב ומסובך? שאלות אלו לא נפתרו עד היום, אך אנחנו בהתקדמות מתמדת. הכלי המתמטי שמשתמשים בו כיום כדי להתמודד עם מורכבות גדולה נקרא תורת הרשתות, ובעזרתו אנו חוקרים את פעילות המוח. אנו ממפים את תאי העצב והקשרים ביניהם לרשת ומתוך מבנה הרשת חוקרים את פעילות המוח. אחד הרעיונות כיום הוא שהתודעה היא תכונה שנוצרת בעקבות הפעילות של כל הרשת יחדיו באופן גלובלי. במחקר זה, שנעשה במחלקה לפיסיקה של אוניברסיטת בר אילן בשנת 2016, ניסינו לבדוק היכן יכולים להיווצר תכונות גלובליות ברשת של קליפת המוח האנושית. כך חשפנו את היררכיית עיבוד המידע במוח ואת אזורי הרשת הכי מקושרים. המידע זורם ברשת מאזורים בעלי תפקידים ספציפיים אל אזורים גבוהים יותר בהיררכיה שמסוגלים לבצע אינטגרציה והערכה של מידע רב. האזורים הכי מקושרים ברשת יוצרים את גרעין הרשת. זהו מבנה על מאד מקושר שמתפרס על כל אזורי קליפת המוח. הגרעין מקבל מידע מכל שאר הרשת ויש לו יכולת ליצור תכונות גלובליות חדשות ומורכבות כמו תכונת התודעה. לכן אנו מציעים שהתודעה האנושית מפציעה מתוך פעילות גרעין הרשת המוחית. בסרטון זה תגלו מהי תורת הרשתות, באיזה שיטות השתמשנו במחקר זה כדי לחקור איך תכונות חדשות יכולות לנבוע מתוך פעילות של קודקודים רבים, במה דומה הרשת המוחית לרשת האינטרנט ובמה היא שונה ממנה ומהן תוצאות המחקר.