Мозок будує дивні структури в 11 вимірах

Мозок продовжує дивувати нас своєю чудовоюскладністю. Новаторські дослідження, що поєднують нейробіологію з математикою, свідчать про те, що коли мозок обробляє інформацію, він створює нейронні структури до 11 вимірювань. Під «вимірами» вчені мають на увазі абстрактні математичні простору, а не інші фізичні області. Проте, дослідники «знайшли світ, який ми собі не уявляли», сказав Big Think Генрі Маркрам, директор проекту Blue Brain, автор нового відкриття.

Робота мозку - найбільша загадка науки

Мозок будує піщані замки

Проект має на меті Blue Brain, який базується вШвейцарії, полягає в цифровому створенні "біологічно деталізованої" симуляції людського мозку. Створюючи цифровий мозок з «безпрецедентним» рівнем біологічної інформації, вчені прагнуть просунути наше розуміння неймовірно складного пристрою людського мозку, в якому налічується близько 86 мільярдів нейронів.

Щоб отримати більш чітке уявлення про те,як працює така величезна мережа для формування наших думок і дій, вчені використовували суперкомп'ютери і особливу галузь математики. Команда засновувала свої поточні дослідження на цифровий моделі неокортексу, яку закінчила в 2015 році. Дослідники хотіли з'ясувати, як реагує цей цифровий неокортекс, використовуючи математичну систему алгебраїчної топології. Це дозволило їм визначити, що наш мозок постійно створює дуже складні багатовимірні геометричні фігури і простору, які виглядають як «піщані замки».

неокортекс або нова кора - це найновіший зовнішній відділголовного мозку або раціональний мозок. Відповідає за вищі когнітивні функції (мова, лист, рішення задач), а також управляє аналітичним і математичним мисленням.

без використання алгебраїчної топології - розділу математики, що описує системи збудь-яким числом вимірів, візуалізація багатовимірної мережі була б неможлива. За допомогою нового математичного підходу дослідники змогли побачити високу ступінь організації в тому, що раніше здавалося «хаотичними» паттернами нейронів.

Алгебраїчна топологія подібна телескопу імікроскопу одночасно: вона може збільшити масштаб мережі, щоб знайти приховані структури - дерева в лісі - і побачити порожні простору - галявини - все в один і той же час.

Автор дослідження Кетрін Хесс.

В ході дослідження вчені спочатку провели тести на створеної ними віртуальної мозкової тканини, а потім підтвердили результати, провівши ті ж експерименти на реальній мозкової тканини лабораторних щурів. При стимуляції кожен віртуальний нейрон з'єднується з іншим таким чином, що утворюється певний геометричний об'єкт - кліка. Велика кількість нейронів додавало більшевимірювань, кількість яких у деяких випадках доходили до 11. Ці структури повинні були утворитися навколо високоразмерной діри, яку дослідники назвали «порожниною». Після того, як мозок обробив інформацію, кліка і порожнину зникли.

Зліва: цифрова копія частини неокортексу, найбільш розвиненої частини мозку. Справа: фігури різних розмірів і геометрії, що представляють собою структури в діапазоні від 1 вимірювання до 7 вимірювань і більш. «Чорна діра» в середині символізує комплекс багатовимірних просторів - порожнини.

Щоб завжди бути в курсі останніх наукових відкриттів в області біології, підписуйтесь на наш новинний канал в Telegram!

Поява високоразмерних порожнин, коли мозокобробляє інформацію, означає, що нейрони в мережі реагують на стимули надзвичайно організованим чином. Це схоже на те, як якщо б мозок реагував на стимул, будуючи а потім руйнуючи вежу з багатовимірних блоків, починаючи з стрижнів (1D), потім дощок (2D), потім кубів (3D), а потім більш складних геометрій з 4D, 5D і т. д. Прогресуюча активність мозку нагадує багатовимірний замок з піску, який матеріалізується з піску і потім розпадається.

Це відкриття дозволяє вченим глибше зрозуміти «однуз фундаментальних таємниць нейробіології - зв'язок між структурою мозку і тим, як він обробляє інформацію », - уточнила Кетрін Хесс в інтерв'ю журналу Newsweek.

Вам буде цікаво: Таємниці мозку: чи дійсно перед смертю нас чекає ейфорія?

Дослідники сподіваються використовуватиалгебраїчну топографію для вивчення ролі «нейропластичности», яка являє собою процес зміцнення і ослаблення нейронних зв'язків при стимуляції - ключовий компонент процесу навчання мозку. Вони бачать подальше застосування своїх відкриттів у вивченні людського інтелекту і формуванні пам'яті. Робота опублікована в журналі Frontiers in Computational Neuroscience.