Naukowcy mówią: ludzki mózg buduje struktury w 11 wymiarach

Źródło: Projekt Blue Brain 

 Mózg nie przestaje nas zaskakiwać swoją niesamowitą złożonością. Przełomowe badania, które łączą neurobiologię z matematyką, dowodzą, że ludzki mózg podczas przetwarzania informacji, tworzy sieci neuronowe aż do 11 wymiarów. Poprzez wymiary naukowcy mają na myśli abstrakcyjne, matematyczne przestrzenie a nie nowe, fizyczne obszary. „Mimo to odkryli świat, którego nigdy sobie nie wyobrażaliśmy” - mówi Henry Markram, szef Blue Brain Project, grupy, która dokonała odkrycia.  

Celem Blue Brain Project, którzy swoją siedzibę mają w Szwajcarii, jest stworzenie biologicznej, szczegółowej symulacji ludzkiego mózgu. Tworząc cyfrowe mózgi z nieprzeciętnym poziomem informacji biologicznej, naukowcy chcą lepiej zrozumieć niezwykle skomplikowany ludzki mózg, który ma około 86 miliardów neuronów. Aby zrozumieć, jak taka potężna sieć pracuje, jak tworzy myśli i działania, naukowcy zatrudnili do tego superkomputer i pewną specyficzną dziedzinę matematyki. Zespół oparł swoje dotychczasowe badania na cyfrowym modelu kory mózgowej, który został zrobiony w 2015 roku. Wykorzystując matematyczny system topologii algebraicznej, zbadali sposób, w jaki cyfrowa kora mózgowa reaguje. Pozwoliło im to na postawieniu tezy, która zakłada, że mózg cały czas tworzy bardzo skomplikowane, wielowymiarowe, geometryczne kształty i przestrzenie, które z wyglądu przypominają zamki z piasku.  

Gdyby nie system topologii algebraicznej i dziedzinie matematyki, która opisuje system przy użyciu dowolnej liczby wymiarów, zwizualizowanie wielowymiarowej sieci byłoby niemożliwe. Wykorzystując nowy, matematyczny sposób, naukowcy byli w stanie dostrzec wysoki stopień organizacji w tym, co wcześniej było tylko chaotycznymi wzorami neuronów. “Topologia algebraiczna jest jak teleskop i mikroskop jednocześnie. Może powiększać sieci neuronowe, aby znaleźć ukryte struktury jak drzewa w lesie oraz zobaczyć puste przestrzenie jak polany, a wszystko w tym samym czasie" - powiedziała autorka badania Kathryn Hess.  

Naukowcy najpierw przeprowadzili testy na stworzonej przez siebie wirtualnej tkance mózgowej, a następnie potwierdzili wyniki, wykonując te same eksperymenty na prawdziwej tkance mózgowej szczurów. Po stymulacji wirtualne neurony tworzyły podgrupy, w których każdy neuron był połączony z innym w taki sposób, że powstawał określony obiekt geometryczny. Duża liczba neuronów stworzyła więcej wymiarów, które w niektórych przypadkach wzrosły do 11. Struktury zorganizowały się wokół wielowymiarowej dziury, którą naukowcy nazwali wnęką. Po przetworzeniu informacji przez mózg, podgrupa i wnęka znikały. Badacz Ran Levi w detalach tak opisuje ten proces: “Pojawienie się wysoko wymiarowych zagłębień podczas procesowania informacji przez mózg oznacza, że neurony w sieci reagują na bodźce w niezwykle zorganizowany sposób. To tak, jakby mózg reagował na bodziec, budując, a następnie burząc wieżę z wielowymiarowych klocków, zaczynając od prętów - 1D, następnie desek - 2D, później kostek - 3D, a potem bardziej złożonych geometrii z 4D, 5D itd. Progresja aktywności w mózgu przypomina wielowymiarowy zamek na plaży, który materializuje się z piasku, a następnie rozpada”. „Dzięki temu odkryciu możemy lepiej zrozumieć jedną z podstawowych tajemnic neuronauki, która dotyczy związku między strukturą mózgu a tym, jak przetwarza on informacje" - wyjaśniła Kathryn Hess w wywiadzie dla „Newsweeka”. 

Naukowcy chcą wykorzystać topografię algebraiczną do zbadania roli plastyczności, która jest procesem wzmacniania i osłabiania połączeń neuronowych pod wpływem stymulacji. Kluczowym badaniem będzie obserwacja mózgu podczas uczenia się. Badacze widzą również dalsze zastosowanie swoich odkryć w badaniu ludzkiej inteligencji i tworzeniu wspomnień. Odkrycie zostało opublikowane na portalu naukowym „Frontiers in Computational Neuroscience”.