Человесечкий мозг может создавать многомерные структуры размерностью до 11 измерений

31.07.2018

В прошлом году нейробиологи попробовали применить классическую математическую модель чтобы по-новому взглянуть на структуру нашего мозга.

Оказалось, что наш мозг полон многомерных геометрических структур, строящихся в 11 измерениях.

Мы воспринимаем наш мир трехмерным, и интуитивно понятная нам физика строится в трех измерениях. 11-мерные структуры, да еще и построенные в нашей голове, представить трудно. Но, возможно, это поможет в понимании работы человеческого мозга - самой сложной структуры, которую мы знаем.

Эта модель мозга была подготовлена группой исследователей из Швейцарского проекта Blue Brain Project, посвященного созданию суперкомпьютерной реконструкции человеческого мозга.

Концептуальные иллюстрации нейросети (1) и топологии (2), от Blue Brain Project
Концептуальные иллюстрации нейросети (1) и топологии (2), от Blue Brain Project

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 число нейронов в клике позволяет оценивать его как многомерный (больше трёх) геометрический объекта

"Мы нашли мир, который никогда не представляли", - сказал ведущий исследователь, нейробиолог Генри Маркрам из института EPFL (Политехническая школа Лозанны) в Швейцарии.

"Даже в самой маленькой точке мозга есть десятки миллионов этих объектов, построенных через семь измерений. В некоторых местах мы обнаружили даже структуры, имеющие до 11 измерений."

Надо пояснить, что эти измерения не совсем то, что мы представляем себе под этим словом. Исследователи смотрели на это скорее, как на многомерный массив нейронных кликов и их связей друг с другом.

"Сети часто анализируются как группы узлов, где каждый узел связан с каждым другим узлом. Эти группы известны как клики. Количество нейронов в клике определяет его размер, или, более формально, его размерность", - пояснили исследователи в статье.

Человеческий мозг, по оценкам, имеет ошеломляющие 86 миллиардов нейронов, с множественными соединениями из каждой ячейки в каждом возможном направлении, образуя обширную клеточную сеть, которая каким-то образом делает нас способными мыслить и осознавать.

Изучая столь большое количество связей, неудивительно, что мы до сих пор не имеем полного представления о том, как работает нейронная сеть нашего мозга.

Построенная Швейцарской командой математическая структура, еще на один шаг приближает нас к построению его цифровой модели.

Для выполнения математических тестов команда использовала детальную модель неокортекса, которую проект Blue Brain опубликовал еще в 2015 году.

Считается, что неокортекс является наиболее недавно сформировавшейся частью нашего мозга. Она участвует в функциях высшего порядка, таких как познание и сенсорное восприятие.

После разработки и виртуального тестирования своей математической модели, команда также подтвердила свои результаты на реальных тканях мозга крыс.

По мнению исследователей, полученная алгебраическая топология предоставляет математические инструменты для определения деталей нейронной сети как на уровне отдельных нейронов, так и в масштабе структуры мозга в целом.

Соединяя эти два уровня, исследователи смогли различить многомерные геометрические структуры в мозге, образованные объединениями плотно связанных нейронов (кликов) и пустых пространств между ними.

"Мы обнаружили удивительно большое количество и разнообразие многомерно-направленных кликов и полостей, которые раньше не были замечены как в биологических, так и в искусственных нейронных сетях,"- писала команда в исследовании.

"Алгебраическая топология похожа на телескоп и микроскоп одновременно", - сказала член команды, математик Кэтрин Хесс из Политехнической школы Лозанны. "Она может приближать, чтобы найти скрытые структуры, как отдельные деревья в лесу и в то же время увидеть пустые пространства и поляны."

Кажется, что эти пространства и поляны критически важны для функции мозга. Когда исследователи стимулировали построенную виртуальную мозговую ткань, они увидели, что нейроны реагируют на стимулы очень организованно.

"Это происходит так, как если бы мозг реагировал на стимул, строя и затем разрушая башню из многомерных блоков, начиная с стержней (1D), затем досок (2D), затем кубов (3D), а затем более сложной геометрии 4D, 5D и т. д.", - сказал один из членов команды, математик Ран Леви из Абердинского университета в Шотландии. "Прохождение стимула через мозг напоминает многомерный песчаный замок, который материализуется из песка, а затем распадается."

Эти результаты дают новую интересную картину того, как мозг обрабатывает информацию, но исследователи указывают, что еще не ясно, что заставляет клики и полости объединяться своими весьма специфическими способами.

Потребуются дополнительные исследования, чтобы определить, как сложность этих многомерных геометрических форм, сформированных нашими нейронами, коррелирует со сложностью различных когнитивных задач.

Это определенно не последнее, что мы услышим о том, что алгебраическая топология может сказать нам об этом самом таинственном из человеческих органов – мозге.

Оригинал статьи: https://www.sciencealert.com/science-discovers-human-brain-works-up-to-11-dimensions