Наукові новини: У мозку людини знайшли структури, що існують в 11 вимірах

Нейробіологи використовували математику, щоб заглянути в структуру нашого мозку. Вони виявили, що він сповнений багатовимірних геометричних фігур, які працюють в 11 вимірах. Деякі структури мозку працюють в 11 вимірах.

Швейцарська дослідницька група Blue Brain Project (проєкт «Блакитний мозок») поставила собі нетривіальну мету – повністю реконструювати мозок людини на базі суперкомп'ютера. Для цього вчені створили спеціальну модель, вдавшись до алгебраїчної топології – розділу математики, що описує властивості об'єктів і просторів незалежно від зміни їх форми. Вони виявили, що групи нейронів з'єднуються в «кліки», і що кількість нейронів в кліку залежить від його розміру як багатовимірного геометричного об'єкта (мова йде про математичне, а не просторово-часове поняття вимірювання – це важливо). «Ми знайшли світ, про який ніколи не мріяли», заявив провідний дослідник, нейробіолог Генрі Маркрам (Henry Markram) з інституту EPFL (Swiss Federal Institute of Technology EPFL, Lausanne) у Швейцарії.

Професор Генрі Маркрам

«Навіть у найменшій частині мозку існують десятки мільйонів подібних об'єктів, і розмірність їх коливається аж до семи вимірів. У деяких мережах ми навіть виявили структури з кількістю вимірів, що досягає 11». Для тих, хто не зрозумів, пояснюємо: мова йде не про просторові виміри (ми з вами, наприклад, сприймаємо Всесвіт лише в трьох просторових вимірах + одному часовому). Замість цього дослідники відзначають ступені зв'язку нейронів між собою. Вузлові точки зв'язку – це «кліки». Чим їх більше – тим вища розмірність.
Згідно з оцінками нейробіологів, наш мозок складається з 86 000 000 000 нейронів, тісно пов'язаних один з одним. Вони утворюють велику клітинну мережу, котра якимось чином наділяє нас здатністю до активного розумового процесу та свідомої діяльності. З урахуванням того, який колосальний обсяг зв'язків містить ця складна структура, немає нічого дивного, що у вчених до цих пір немає чіткого розуміння того, як все це працює.
Однак математична основа, розроблена швейцарськими вченими, ще на один крок наближає нас до того дня, коли мозок буде цілком оцифрований. Для виконання тестів дослідники використовували детальну модель неокортексу, яку проект Blue Brain Project опублікував ще у 2015 році. Вважається, що неокортекс є частиною нашого мозку, яка бере участь в деяких з функцій вищого порядку, таких як пізнання і сенсорне сприйняття. Після розробки математичної структури і тестування її на деяких віртуальних стимулах команда також підтвердила свої результати на реальних тканинах мозку у щурів.
На думку вчених, алгебраїчна топологія надає математичні інструменти для розпізнавання деталей нейронної мережі як зблизька, на рівні окремих нейронів, так і в ширшому масштабі структури мозку в цілому. Поєднуючи ці два рівні, дослідники могли розрізнити в мозку багатовимірні геометричні структури, утворені сукупностями тісно пов'язаних нейронів (кліків) і порожніх просторів (порожнин) між ними. «Ми виявили надзвичайно велику кількість і різноманітність кліків і порожнин великого розміру, яких раніше не було в нейронних мережах, ні біологічних, ні штучних», написала команда в новому дослідженні.

Величезна кількість симплексів, прихованих всередині мозку, передбачає, що кожен нейрон є частиною величезної кількості функціональних груп
 

«Алгебраїчна топологія схожа на телескоп і мікроскоп одночасно», пояснила одна із членів команди, математик Кетрін Хесс (Hess Kathryn P.) з EPFL. «Він допомагає наблизитися до мереж, щоб знайти приховані структури і одночасно побачити порожні простори. Це схоже на пошук дерев і полян в єдиному масиві лісу», зазначає вона. Ці просвіти або «порожнини» виявилися критично важливими для роботи мозку. Коли дослідники стимулювали віртуальну мозкову тканину, то побачили, що нейрони реагують на неї високоорганізованим чином. «Це як якщо б мозок реагував на подразник, будуючи і потім руйнуючи вежу з багатовимірних блоків, починаючи із стрижнів (1D), потім дощок (2D), потім кубів (3D) і потім більш складних геометрій – 4D, 5D, і т. д.», пояснює математик Ран Леві (Ran Levi) з Університету Абердина в Шотландії. «Розвиток активності через мозок нагадує багатовимірний замок з піску, який матеріалізується з піску і потім розпадається».
Результати роботи подарували світові приголомшливу і свіжу картину того, як мозок обробляє інформацію. Однак дослідники відзначають, що ще не з'ясували причину того, чому кліки і порожнини формуються досить специфічними способами. Буде потрібна додаткова робота, щоб визначити, як складність цих багатовимірних геометричних фігур, сформованих нашими нейронами, співвідноситься зі складністю різних когнітивних завдань.

Джерела: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Підготував проф. В. Трокоз