Ludzki mózg może tworzyć modele, które mają aż 11 wymiarów!
Neurobiolodzy wykorzystali klasyczną matematykę w zupełnie nowy sposób, aby zajrzeć do naszych umysłów. Odkryli, że ludzki mózg jest pełen wielowymiarowych brył geometrycznych, które operują w aż 11 wymiarach.
To może być nieco problematyczne, ponieważ jesteśmy przyzwyczajeni do patrzenia na świat z trójwymiarowej perspektywy. Wyniki nowych badań mogą być jednak milowym krokiem ku zrozumieniu tego, co tworzy ludzki mózg, czyli najbardziej skomplikowaną strukturę znaną ludzkości.
Ten najnowszy model został stworzony przez zespół badaczy z Blue Brain Project, szwajcarskiej inicjatywy poświęconej rekonstrukcji ludzkich mózgów przy pomocy superkomputerów.
Zespół wykorzystał topologię algebraiczną, czyli dział matematyki zajmujący się opisywaniem obiektów i przestrzeni niezależnie od zmian ich kształtów. Naukowcy odkryli, że grupy neuronów łączą się w „kliki”, a liczba neuronów w klice pozwala zrozumieć rozmiar mózgu jako wielowymiarowej bryły geometrycznej.
“Odkryliśmy świat, o którym nawet nie marzyliśmy” mówi szef zespołu Henry Markram z instytutu EPFL w Szwajcarii.
“Nawet w najmniejszej cząstce naszego mózgu tkwią miliony tych przedmiotów. W niektórych sieciach odkryliśmy struktury, które miały aż do 11 wymiarów”.
Nie mówimy tutaj o wymiarach przestrzennych (nasz wszechświat ma trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy), a o perspektywie, z jakiej naukowcy spojrzeli na kliki neuronów, aby ustalić, jak są połączone.
Sieci są analizowane pod kątem grup gałęzi, które są połączone ze sobą a liczba neuronów w klice zależy od jej rozmiaru.
Szacuje się, że ludzkie mózgi liczą aż 86 miliardów neuronów, a z każdej komórki wyrastają połączenia we wszystkich możliwych kierunkach. W ten sposób powstaje ogromna sieć, która pozwala nam na myślenie i posiadanie świadomości.
Przy tak ogromnej liczbie połączeń to nic dziwnego, że wciąż nie rozumiemy do końca, jak działa sieć neuronowa mózgu, ale nowe odkrycia matematyczne przybliżają nas do zbudowania cyfrowego modelu mózgu.
Aby przeprowadzić matematyczne testy, zespół wykorzystał szczegółowy model neokorteksu, który opublikował w 2015. Powszechnie uważa się, że ta część naszych mózgów wyewoluowała jako ostatnia i jest odpowiedzialna za rozumienie i odbieranie bodźców zmysłowych.
Po przeprowadzeniu obliczeń i testach przy użyciu wirtualnych bodźców zespół potwierdził wyniki badań, powtarzając je na mózgach szczurów.
Jak mówią naukowcy, topologa algebraiczna dostarcza matematycznych narzędzi do analizy sieci neuronowej jako całości oraz każdego neuronu z osobna.
Badania na tych dwóch poziomach pozwalają naukowcom rozpoznać wielowymiarowe struktury w naszych mózgach uformowane przez ściśle powiązane neurony i przestrzenie między nimi.
“Odkryliśmy niesamowicie wysoką liczbę różnorodnych wielowymiarowych klik, których nigdy nie widziano w biologicznych lub sztucznych sieciach neuronowych” piszą naukowcy w swoich badaniach.
„Algebraiczna topologia działa jednocześnie jak teleskop i mikroskop” mówi Kathryn Hess z EPFL. “Dzięki niej możemy zobaczyć sieci z bliska i odkryć ich ukryte elementy.”
Przestrzenie między neuronami wydają się kluczowe dla działania mózgu. Gdy naukowcy poddali swój wirtualny mózg działaniu bodźca, zobaczyli, że neurony zareagowały w bardzo zorganizowany sposób.
“Wydaje się, że mózg reaguje na bodziec, tworząc wieżę wielowymiarowych bloków przypominających pręty (jeden wymiar), deski (2 wymiary), potem sześciany (3 wymiary), a następnie jeszcze bardziej skomplikowane struktury” mówi matematyk Ran Levi z Uniwersytetu w Aberdeen.
“Postęp w aktywności mózgu przypomina wielowymiarowy zamek z piasku, który pojawia się na moment i błyskawicznie znika”.
Te odkrycia zapewniają nam ciekawy pogląd na to, w jaki sposób mózg przetwarza informacje, ale naukowcy przypominają, że wciąż nie wiemy, dlaczego kliki i przestrzenie między nimi formują się w tak wyjątkowy sposób.
Potrzebne będą kolejne badania, aby ustalić korelację między złożonością wielowymiarowych kształtów geometrycznych oraz stopniem skomplikowania różnych zadań poznawczych.
Możemy mieć jednak pewność, że nie jest to ostatni raz, kiedy słyszymy o możliwościach, jakie daje nam topologia algebraiczna na polu badań najbardziej tajemniczego ludzkiego organu, czyli mózgu.
