Încă din 2017, neurologii au folosit o ramură clasică a matematicii într-un mod cu totul nou pentru a arunca o privire în structura creierului uman.

dovezi

Au descoperit că creierul este plin de structuri geometrice multidimensionale care funcționează în 11 dimensiuni.

Suntem obișnuiți să ne gândim la lume dintr-o perspectivă 3D, deci acest lucru poate suna puțin complicat, dar rezultatele studiului ar putea fi următorul pas major în înțelegerea țesutului cerebral uman - cea mai complexă structură pe care o știm că există.

Acest model al creierului a fost produs de o echipă de cercetători de la Blue Brain Project - o inițiativă de cercetare elvețiană dedicată construirii unei reconstrucții a creierului uman cu un supercomputer.

Echipa folosește topologia algebrică, o ramură a matematicii utilizate pentru a descrie proprietățile obiectelor și spațiilor, indiferent de modul în care acestea își schimbă forma.

Echipa a descoperit că grupurile de neuroni conectați în așa-numitele „clicuri” și că numărul de neuroni dintr-un clic ar determina dimensiunea acestuia ca obiect geometric mare (concept matematic, nu spațiu-timp).

„Am găsit o lume pe care nu ne-am imaginat-o niciodată”, spunea cercetătorul principal Henry Markram de la Institutul EPFL din Elveția de atunci.

„Există zeci de milioane de obiecte, chiar și într-un mic fir de pe creier, în șapte dimensiuni. În unele rețele am găsit chiar și structuri cu până la 11 dimensiuni.

Pentru a fi clar, nu este vorba despre dimensiuni spațiale (universul nostru are trei dimensiuni spațiale plus o singură dată), ci mai degrabă despre modul în care cercetătorii au privit neuronii pentru a determina cât de conectați sunt.

„Rețelele sunt adesea analizate în termeni de grupuri de noduri conectate, cunoscute sub numele de clicuri. Numărul de neuroni dintr-un clic determină dimensiunea acestuia sau mai formal dimensiunea sa ", explică cercetătorii.

Se estimează că creierul uman este un uimitor 86 de miliarde de neuroni, cu conexiuni multiple de la fiecare bandă celulară în orice direcție posibilă, formând o vastă rețea celulară care ne face cumva să putem gândi.

Cu atât de multe conexiuni cu care să lucrăm, nu este de mirare că încă nu avem o înțelegere profundă a modului în care funcționează rețeaua neuronală a creierului.

Dar cadrul matematic construit de echipă ne duce cu un pas mai aproape de crearea unui model digital al creierului. Pentru a efectua testele de matematică, echipa a folosit un model detaliat al neocortexului, pe care echipa Blue Brain Project a publicat-o în 2015.

Se crede că neocortexul este cea mai evoluată parte a creierului nostru și cea implicată în unele dintre funcțiile de ordin superior, cum ar fi cunoașterea și percepția senzorială.

După dezvoltarea cadrului său matematic și testarea acestuia pe niște stimuli virtuali, echipa a confirmat, de asemenea, rezultatele asupra țesutului cerebral real la șobolani.

Potrivit cercetătorilor, topologia algebrică oferă instrumente matematice pentru recunoașterea detaliilor rețelei neuronale atât în ​​vizualizare apropiată la nivelul neuronilor individuali, cât și pe o scară mai mare a structurii creierului în ansamblu.

Prin conectarea acestor două niveluri, cercetătorii ar putea distinge structuri geometrice de dimensiuni mari în creier formate din colecții de neuroni strâns conectați (clicuri) și spațiile goale (cavități) dintre ele.

„Am găsit un număr remarcabil de mare și o varietate de clicuri dirijate de înaltă dimensiune și cavități care nu au fost observate anterior în rețelele neuronale, biologice sau artificiale”, a scris echipa de studiu.

„Topologia algebrică este ca un telescop și un microscop în același timp”, a declarat membru al echipei Catherine Hess, matematiciană de la EPFL.

„Poate mări plasele pentru a găsi structuri ascunse, copacii din pădure și pentru a vedea spațiile goale, pajiștile de acolo în același timp.”

Aceste cavități par a fi critice pentru funcția creierului. Când cercetătorii își stimulează țesutul cerebral virtual, ei văd că neuronii răspund într-un mod foarte organizat.

„Este ca și cum creierul răspunde la un stimul construind [și] apoi distrugând un turn de blocuri multidimensionale, începând cu bețe (1D), apoi plăci (2D), apoi cuburi (3D) și apoi geometrii mai complexe. Cu 4D, 5D etc. „A spus matematicianul Ran Levy de la Universitatea din Aberdeen din Scoția, membru al echipei.

„Progresia activității prin creier este ca o gresie multidimensională care se materializează mai întâi din nisip și apoi se dezintegrează”.

Aceste descoperiri oferă o imagine inovatoare a modului în care creierul procesează informațiile, dar cercetătorii subliniază că nu este încă clar ce formează clicurile și cavitățile într-un mod foarte specific.

Și va fi nevoie de mai multă muncă pentru a determina modul în care complexitatea acestor forme geometrice multidimensionale formate din neuroni se corelează cu complexitatea diferitelor sarcini cognitive.

Dar acesta nu este cu siguranță ultimul lucru pe care îl vom auzi despre înțelegerile pe care ni le poate oferi topologia algebrică acestui cel mai misterios dintre organele umane - creierul.

Studiul a fost publicat în revista Frontiers of Computational Neuroscience.