Человеческий мозг может создавать структуры до 11 измерений
By Signe Dean
В прошлом году нейробиологи использовали классическую область математики совершенно по-новому, чтобы заглянуть в структуру нашего мозга.
Они обнаружили, что мозг полон многомерных геометрических структур, работающих в целых 11 измерениях.
Мы привыкли думать о мире с трехмерной точки зрения, так что это может показаться немного сложным, но результаты этого исследования могут стать следующим важным шагом в понимании структуры человеческого мозга - самой сложной структуры, о которой мы знаем.
Эта модель мозга была создана командой исследователей из проекта Blue Brain, швейцарской исследовательской инициативы, посвященной созданию реконструкции человеческого мозга на базе суперкомпьютера.
Команда использовала алгебраическую топологию, раздел математики, используемый для описания свойств объектов и пространств независимо от того, как они меняют форму.
Они обнаружили, что группы нейронов соединяются в "клики", и что количество нейронов в клике приведет к ее размеру как геометрического объекта высокой размерности (математическое понятие размерности, а не пространственно-временное).
"Мы обнаружили мир, который никогда не могли себе представить", - сказал ведущий исследователь, нейробиолог Генри Маркрам из института EPFL в Швейцарии.
"Даже в маленькой частичке мозга существуют десятки миллионов таких объектов, вплоть до семи измерений. В некоторых сетях мы даже обнаружили структуры до 11 измерений ".
Просто для ясности - это не то, как вы думаете о пространственных измерениях (наша Вселенная имеет три пространственных измерения плюс одно временное измерение), вместо этого это относится к тому, как исследователи смотрели на нейронные группы, чтобы определить, насколько они связаны.
"Сети часто анализируются с точки зрения групп узлов, которые связаны "все ко всем", известных как "клики". Количество нейронов в группе определяет ее размер, или, более формально, ее размерность ", - объяснили исследователи в статье.
По оценкам, человеческий мозг имеет ошеломляющее количество 86 миллиардов нейронов, с множеством соединений от каждой клеточной сети во всех возможных направлениях, образуя обширную клеточную сеть, которая каким-то образом делает нас способными к мышлению и сознанию.
При таком огромном количестве соединений, с которыми нужно работать, неудивительно, что у нас до сих пор нет полного понимания того, как работает нейронная сеть мозга.
Но математическая структура, созданная командой, приближает нас на один шаг к тому, чтобы однажды создать цифровую модель мозга.
Для проведения математических тестов команда использовала подробную модель неокортекса, которую команда проекта Blue Brain опубликовала еще в 2015 году.
Считается, что неокортекс является самой недавно развившейся частью нашего мозга, которая участвует в некоторых из наших функций высшего порядка, таких как познание и сенсорное восприятие.
Разработав свою математическую основу и протестировав ее на некоторых виртуальных стимулах, команда также подтвердила свои результаты на реальной ткани мозга у 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 различить геометрические структуры большого размера в мозге, образованные совокупностями тесно связанных нейронов (клик) и пустых пространств (полостей) между ними.
"Мы обнаружили удивительно большое количество и разнообразие направленных кликов и полостей высокой размерности, которые ранее не наблюдались в нейронных сетях, как биологических, так и искусственных", - написала команда в исследовании.
"Алгебраическая топология подобна телескопу и микроскопу одновременно", - сказала одна из членов команды, математик Кэтрин Хесс из EPFL.
"Он может увеличивать масштаб сетей, чтобы находить скрытые структуры, деревья в лесу и видеть пустые пространства, прогалины, все одновременно".
Эти просветы или полости, по-видимому, критически важны для функционирования мозга. Когда исследователи стимулировали свою виртуальную мозговую ткань, они увидели, что нейроны реагируют на это высокоорганизованным образом.
"Это похоже на то, как если бы мозг реагировал на стимул, строя [а] затем разрушая башню из многомерных блоков, начиная с стержней (1D), затем досок (2D), затем кубов (3D), а затем более сложных геометрий с 4D, 5D и т.д.", - сказал один из команды, математик Ран Леви из Абердинского университета в Шотландии.
"Прогрессирование активности в мозге напоминает многомерный замок из песка, который материализуется из песка, а затем распадается".
Эти результаты дают дразнящую новую картину того, как мозг обрабатывает информацию, но исследователи отмечают, что пока не ясно, что заставляет клики и полости формироваться весьма специфическим образом.
И потребуется дополнительная работа, чтобы определить, как сложность этих многомерных геометрических фигур, сформированных нашими нейронами, коррелирует со сложностью различных когнитивных задач.
Но это определенно не последний раз, когда мы слышим о том, что алгебраическая топология может дать нам представление об этом самом загадочном из человеческих органов - мозге.
Исследование было опубликовано в Frontiers of Computational Neuroscience