Jesteś tutaj

Dla większości ludzi zrozumienie świata w czterech wymiarach wymaga poważnej gimnastyki umysłu. Tymczasem najnowsze badania wykorzystujące topologię algebraiczną odkrywają struktury w mózgu, które sięgają nawet do siódmego wymiaru.

Posługując się topologią algebraiczną na sposób, którego nie zastosowano nigdy wcześniej w neuronauce, zespół projektu Blue Brain ukazuje przed nami świat wielowymiarowych geometrycznych struktur i przestrzeni w sieciach neuronowych. Praca ta może stanowić przełomowe odkrycie w badaniach struktury mózgu.

Te wielowymiarowe struktury ujawniają się, kiedy neurony tworzą „klikę” (ang. clique): każdy neuron łączy się z każdym innym neuronem w grupie w bardzo specyficzny sposób, który generuje precyzyjny geometryczny obiekt. Im więcej neuronów jest w „klice”, tym wyższy jest wymiar obiektu geometrycznego.

– Odnaleźliśmy świat, którego nawet sobie nie wyobrażaliśmy – mówi Henry Markram, neuronaukowiec, dyrektor Blue Brain Project i profesor Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL). – Dziesiątki milionów tych obiektów znajduje się w każdej drobince mózgu. Sięgają i wykraczają poza siódmy wymiar. W niektórych sieciach znaleźliśmy nawet struktury sięgające do jedenastego wymiaru.

Markram podejrzewa, że to może być wyjaśnienie, dlaczego tak trudno jest nam zrozumieć mózg:

– Matematyka stosowana zwykle do badań sieci neuronowych nie jest zdolna do wykrycia wielowymiarowych struktur i przestrzeni, które teraz widzimy zupełnie wyraźnie.

Jeśli czwarty wymiar wystawia na próbę naszą wyobraźnię, to świat z pięcioma, sześcioma i większą liczbą wymiarów jest zbyt skomplikowany, by większość rozumów mogła go objąć. W tym momencie wkracza topologia algebraiczna – dziedzina matematyki, które potrafi odpisać system za pomocą dowolnej liczby wymiarów. Do projektu Blue Brain topologię algebraiczną wprowadzili Kathryn Hess z EPFL i Ran Levi z Uniwersytetu w Aberdeen.

– Topologia algebraiczna jest jak teleskop i mikroskop jednocześnie. Może dokonać zbliżenia sieci, by znaleźć ukryte struktury – jak drzewa w lesie – i widzieć wolne przestrzenie – polany – w tym czasie – wyjaśnia Hess.

W 2015 roku zespół Blue Brain opublikował pierwszą cyfrową kopię fragmentu kory nowej – najbardziej ewolucyjnie rozwiniętej części mózgu, odpowiedzialnej za przetwarzanie wrażeń zmysłowych, planowanie i wykonywanie ruchu oraz za świadomość. W ostatnich badaniach, w których posłużono się topologią algebraiczną, wielokrotne testy wykonane na wirtualnej tkance mózgowej wykazały, że wielowymiarowe struktury nie pojawiły się w tej symulacji w przypadkowy sposób. Następnie eksperymenty powtórzono w laboratorium Blue Brain w Lozannie na prawdziwej (zwierzęcej) tkance mózgowej, potwierdzając, że wcześniejsze wirtualne odkrycia są relewantne biologiczne. Dodatkowo z badań wynikło przypuszczenie, że mózg nieustannie „przepina się” podczas swojego rozwoju, by stworzyć sieć z tak wieloma wymiarami, jak to tylko możliwe.

Pytanie, które teraz zadają sobie badacze, to jak ta wielość wymiarów wpływa na sprawność działania naszego mózgu, czyli nas samych? Czy poziom zawiłości zadań, które potrafimy zrealizować zależy od złożoności tych „wielowymiarowych zamków z piasku”, jak zmieniające się i odnawiające połączenia nazywa Markram. Istotną ambicją neuronauki jest odkrycie tego, gdzie w mózgu przechowywane są wspomnienia. A może – jak docieka Markram – mogą one być ukryte gdzieś w wielowymiarowych strukturach mózgu?

 

Opracowano na podstawie artykułu Blue Brain Team Discovers a Multi-Dimentional Universce in Brain Networks opublikowanego na blogu czasopisma „Frontiers”

 
00:00
Topologia w neuronaukach. Obraz usiłuje przedstawić nieprzedstawialne. Po lewej - cyfrowe odwzorowanie kory nowej. Po prawej - struktury o różnych kształtach i wymiarach, oznaczające wymiary od 1D do 7D. Credit: Blue Brain Project.