Человеческий мозг может создавать структуры в 11 измерениях

Неврологи использовали классическую ветвь математики совершенно по-новому, чтобы заглянуть в структуру нашего мозга. Неожиданно они обнаружили, что мозг полон многомерных геометрических структур, работающих в 11 измерениях.

Мы привыкли воспринимать мир лишь в трехмерной перспективе, поэтому это может показаться немного сложным, но результаты нового исследования могут стать следующим важным шагом в понимании строения человеческого мозга – самой сложной из известных нам структур.

Новейшая модель мозга была создана группой исследователей из проекта Blue Brain Project, швейцарской исследовательской инициативы, направленной на создание реконструкции человеческого мозга с помощью суперкомпьютера.

Команда использовала алгебраическую топологию – раздел математики, используемый для описания свойств объектов и пространств независимо от того, как они меняют форму. Ученые обнаружили, что группы нейронов соединяются в “клики” (группы, которые взаимодействуют друг с другом), и что количество нейронов в клике приводит к ее размеру как высокоразмерного геометрического объекта.

“Мы обнаружили мир, который мы никогда не могли себе представить. Даже в маленьком пятнышке мозга существуют десятки миллионов таких объектов, вплоть до семи измерений. В некоторых сетях мы даже обнаружили структуры, имеющие до 11 измерений”, – говорит ведущий исследователь, нейробиолог Генри Маркрам из института EPFL в Швейцарии.

Человеческий мозг, по оценкам, состоит из 86 миллиардов нейронов, с многочисленными связями от каждой клетки во всех возможных направлениях, образуя огромную клеточную сеть, которая каким-то образом (пока не знаем каким) делает нас способными мыслить и осознавать. Учитывая такое огромное количество связей, с которыми приходится работать, неудивительно, что у нас до сих пор нет глубокого понимания того, как работает нейронная сеть мозга. Но новая математическая схема, созданная командой, делает нас еще на один шаг ближе к тому, чтобы однажды получить цифровую модель мозга.

Для проведения математических тестов исследователи использовали подробную модель неокортекса, которую команда Blue Brain Project опубликовала еще в 2015 году. Неокортекс считается наиболее молодой эволюционировавшей частью нашего мозга и участвует в некоторых функциях высшего порядка, таких как познание и сенсорное восприятие.

мозг

Разработав математическую основу и протестировав ее на некоторых виртуальных стимулах, команда подтвердила свои результаты на реальной ткани мозга крыс. По словам исследователей, алгебраическая топология предоставляет математические инструменты для различения деталей нейронной сети как при ближайшем рассмотрении на уровне отдельных нейронов, так и в более широком масштабе структуры мозга в целом.

Соединив эти два уровня, исследователи смогли разглядеть высокоразмерные геометрические структуры в мозге, образованные скоплениями тесно связанных нейронов (клики) и пустыми пространствами (пустотами) между ними:

“Мы обнаружили удивительно большое количество и разнообразие высокоразмерных направленных клик и пустот, которые ранее не встречались в нейронных сетях, ни биологических, ни искусственных. Алгебраическая топология – это как телескоп и микроскоп одновременно. Она может увеличивать масштаб сетей, чтобы найти скрытые структуры, деревья в лесу, и одновременно видеть пустые пространства, просеки”.

Эти просветы или пустоты, похоже, очень важны для работы мозга. Когда исследователи дали виртуальной ткани мозга стимул, они увидели, что нейроны реагируют на него высокоорганизованным образом.

“Похоже на то, как если бы мозг реагировал на стимул, строя и затем разрушая башню из многомерных блоков, начиная со стержней (1D), затем досок (2D), затем кубов (3D), а затем более сложных геометрических форм – 4D, 5D и т.д. Прогрессия активности в мозге напоминает многомерный песочный замок, который материализуется из песка, а затем распадается”, – говорит один из членов команды, математик Ран Леви из Абердинского университета в Шотландии.

Эти результаты дают новую интригующую картину того, как мозг обрабатывает информацию. Но исследователи отмечают, что пока неясно, что заставляет клики и пустоты формироваться весьма специфическим образом, и потребуется дополнительная работа, чтобы определить, как сложность этих многомерных геометрических фигур, формируемых нашими нейронами, соотносится со сложностью различных когнитивных задач.

И это определенно не последний раз, когда мы слышим о том, что алгебраическая топология может дать нам понимание самого загадочного из человеческих органов – мозга.

Читайте также: Этично ли использовать человеческие клетки мозга для производства компьютерных чипов

Поделиться