Najnowsze badania wykazały, że ludzki mózg tworzy wielowymiarowe struktury nerwowe, które rosną i rozpadają się jak zamki z piasku.
Złożoność mózgu nie przestaje nas zaskakiwać. Wyniki przełomowych badań łączących neurologię z matematyką wskazują, że w trakcie przetwarzania informacji ludzki mózg potrafi budować struktury nerwowe mające nawet 11 wymiarów. Owe „wymiary” to matematyczne abstrakcje, a nie fizyczne byty. Mimo to, jak twierdzi Henry Markram, kierownik prowadzonego w Szwajcarii projektu badawczego Blue Brain Project, „odkryliśmy świat, którego istnienia zupełnie się nie spodziewaliśmy”.
Celem projektu jest stworzenie „szczegółowej pod względem biologicznym” symulacji ludzkiego mózgu. Cyfrowy mózg, przetwarzający ogromne ilości informacji biologicznych, ma pomóc w lepszym zrozumieniu naszego prawdziwego mózgu, narządu nieprawdopodobnie skomplikowanego, składającego się z około 86 mld neuronów.
Aby przekonać się, w jaki sposób funkcjonuje ta gigantyczna sieć, a także jak generuje ona myśli i działania, naukowcy wykorzystali superkomputery i posłużyli się szczególną subdyscypliną matematyki. Obecne badania opierają się na cyfrowym modelu kory nowej mózgu ukończonym w 2015 r. Reakcje tej cyfrowej kory analizowano, wykorzystując topologię algebraiczną. Dzięki temu naukowcy odkryli, że nasz mózg nieustannie buduje skomplikowane wielowymiarowe figury i przestrzenie przypominające zamki z piasku.
Bez topologii algebraicznej, opisującej układy o dowolnej liczbie wymiarów, wizualizacja tej wielowymiarowej sieci byłaby niemożliwa. Dzięki temu nowemu podejściu badacze odkryli wysoki poziom organizacji pracy neuronów, wcześniej uważanej za chaotyczną.
„Topologia algebraiczna jest jak teleskop i mikroskop w jednym. Pozwala bliżej przyjrzeć się sieci i równocześnie dostrzec ukryte struktury oraz puste przestrzenie. Widzimy i drzewa tworzące las, i polany” – mówiła autorka badania Kathryn Hess.
Naukowcy zaczęli od testów wirtualnej tkanki mózgowej. Następnie potwierdzili wyniki, eksperymentując na mózgach szczurów.
Bodziec sprawia, że neurony tworzą „klikę”. Kiedy łączą się ze sobą, powstają specyficzne figury geometryczne. Duża liczba aktywnych neuronów oznacza więcej wymiarów. W niektórych przypadkach wymiarów tych było aż 11. Wszystkie struktury organizowały się wokół wielowymiarowej dziury nazwanej przez badaczy zagłębieniem. Kiedy mózg przetworzył daną informację, klika i zagłębienie znikały.
Ran Levi, członek zespołu badawczego, wyjaśniał to szczegółowo: „Pojawienie się wielowymiarowych zagłębień podczas przetwarzania informacji przez mózg świadczy o tym, że neurony reagują na bodziec w sposób ściśle zorganizowany. Mózg buduje, a potem burzy swego rodzaju wieżę z wielowymiarowych bloków. Zaczyna od prętów (pierwszy wymiar), potem bierze deski (drugi wymiar) i sześciany (trzeci wymiar). Następnie przerzuca się na jeszcze bardziej skomplikowane struktury geometryczne – czterowymiarowe, pięciowymiarowe itd. Przypomina to wielowymiarowy zamek z piasku, który powstaje, by zaraz potem się rozpaść”.
Odkrycia te są niezwykle doniosłe, stanowią bowiem krok ku rozwiązaniu „jednej z najważniejszych zagadek neuronauki, czyli związku między strukturą mózgu a sposobem, w jaki przetwarza on informacje” – tłumaczyła Kathryn Hess w wywiadzie udzielonym „Newsweekowi”.
Badacze zamierzają wykorzystać topologię algebraiczną do zbadania plastyczności, czyli procesu wzmacniania i słabnięcia połączeń neuronowych na skutek bodźcowania. Plastyczność jest zasadniczym elementem procesu uczenia się. Obecne odkrycia mogą pomóc w dalszych badaniach nad ludzką inteligencją i powstawaniem wspomnień.
Wyniki omawianych badań opublikowano w czasopiśmie „Frontiers in Computational Neuroscience”.
Pierwotnie tekst ukazał się na stronie Big Think.
Czytaj również:
