Категорії
Різне

Мозок будує структури в 11 вимірах

Новаторські дослідження з нейробіології та математики свідчать про те, що коли мозок обробляє інформацію, то створює нейронні структури до 11 вимірювань (під «виміром» тут абстрактний математичний простір, а не інші фізичні області). Проте, дослідники «знайшли світ, який і не уявляли», повідомив Big Think Генрі Маркрам, директор проекту Blue Brain, автор нового відкриття.

Ціль проекту Blue Brain, над яким працюють в Швейцарії, полягає в цифровому створенні «біологічно деталізованої» симуляції людського мозку. Створюючи цифровий мозок з «безпрецедентним» рівнем біологічної інформації, вчені прагнуть просунутися у вивченні неймовірно складної будови людського мозку, в якому налічується близько 86 мільярдів нейронів.

Advertisements

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

Неокортекс – це нові області кори головного мозку, які у нижчих ссавців тільки намічені, а у людини складають основну частину кори, розташовується у верхньому шарі півкуль мозку, має товщину 2-4 мм і відповідає за вищі нервові функції – сенсорне сприйняття, виконання моторних команд, усвідомлене мислення і, у людей, мову, а також управляє аналітичним і математичним мисленням.

Без використання алгебраїчної топології – розділу математики, що описує системи з будь-яким числом вимірів, візуалізація багатовимірної мережі була б неможливою. За допомогою нового математичного підходу дослідники в тому, що раніше здавалося «хаотичними» паттернами нейронів, змогли розгледіти високу ступінь організації.

Алгебраїчна топологія подібна телескопу і мікроскопу: тобто може збільшувати масштаб мережі, щоб знайти приховані структури (дерева в лісі) і побачити порожні простори (галявини) одночасно. Автор дослідження Кетрін Хесс, робота опублікована в журналі Frontiers in Computational Neuroscience.

В ході досліджень вчені спочатку провели тести на створеній ними віртуальній мозковій тканині, а потім підтвердили результати, провівши ті ж експерименти на реальній мозковій тканині лабораторних щурів. При стимуляції кожен віртуальний нейрон з’єднується з іншим таким чином, що утворюється певний геометричний об’єкт – кліка. Більшість нейронів додавали більше вимірів, кількість яких у деяких випадках доходили до 11. Ці структури повинні були утворитися навколо високорозмірної діри, яку дослідники назвали «порожниною». Після того, як мозок обробив інформацію, кліка і порожнина зникли.

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

«Це відкриття дозволяє глибше зрозуміти одну з фундаментальних таємниць нейробіології – зв’язок між структурою мозку і тим, як він обробляє інформацію», – уточнила Кетрін Хесс в інтерв’ю журналу Newsweek. Дослідники сподіваються використовувати алгебраїчну топографію для вивчення ролі «нейропластичності», яка являє собою процес зміцнення і ослаблення нейронних зв’язків при стимуляції – ключовий компонент процесу навчання мозку, що бачать в подальшому застосуванні своїх відкриттів у вивченні людського інтелекту і формуванні пам’яті.

Advertisements