Hoeveel dimensies zijn er in onze hersenen?

Hoeveel dimensies zijn er in onze hersenen?
Hoeveel dimensies zijn er in onze hersenen?
Anonim

Neurowetenschappers hebben klassieke wiskunde gebruikt om de structuur van onze hersenen te onderzoeken. Ze ontdekten dat het vol zit met multidimensionale geometrische vormen die in 11 dimensies werken!

In 2019 deed de Zwitserse onderzoeksgroep Blue Brain iets geweldigs: het menselijk brein volledig hermodelleren op basis van een supercomputer. Hiervoor hebben wetenschappers een speciaal model gemaakt met behulp van algebraïsche topologie - een tak van de wiskunde die de eigenschappen van objecten en ruimtes beschrijft, ongeacht de verandering in hun vorm.

Groepen neuronen zijn verbonden in "klikken", en dat het aantal neuronen in een kliek afhangt van de grootte ervan als een multidimensionaal geometrisch object (we hebben het over een wiskundig, niet een ruimte-tijdconcept van meting - dit is belangrijk).

"We hebben een wereld gevonden waar we nooit van hadden gedroomd", zegt hoofdonderzoeker, neurowetenschapper Henry Markram van het EPFL Institute in Zwitserland. - Zelfs in het kleinste deel van de hersenen zijn er tientallen miljoenen van dergelijke objecten, en hun afmetingen kunnen oplopen tot zeven dimensies. In sommige netwerken vonden we zelfs structuren met maximaal 11 dimensies."

We hebben het niet over ruimtelijke dimensies (u en ik, bijvoorbeeld, nemen het universum alleen waar in drie ruimtelijke dimensies + één temporeel). In plaats daarvan noteren onderzoekers de mate waarin neuronen met elkaar zijn verbonden. Link nodes zijn "klikken". Hoe meer er zijn, hoe hoger de dimensie.

Volgens neurowetenschappers bestaat ons brein uit 86 miljard neuronen, die nauw met elkaar verbonden zijn. Ze vormen een enorm cellulair netwerk, dat ons op de een of andere manier de mogelijkheid geeft om actief te denken en bewust te handelen. Gezien de enorme hoeveelheid verbindingen die deze complexe structuur bevat, is het niet verwonderlijk dat wetenschappers nog steeds geen duidelijk beeld hebben van hoe het allemaal werkt.

Het wiskundige raamwerk dat door Zwitserse wetenschappers is ontwikkeld, brengt ons echter een stap dichter bij de dag dat het brein volledig zal worden gedigitaliseerd.

Om de tests uit te voeren, gebruikte het team een gedetailleerd neocortex-model dat het Blue Brain Project in 2015 publiceerde. De neocortex wordt verondersteld het deel van onze hersenen te zijn dat betrokken is bij enkele van de hogere-orde functies zoals cognitie en zintuiglijke waarneming.

Na het ontwikkelen van de wiskundige structuur en het testen op enkele virtuele stimuli, bevestigde het team ook hun resultaten op echt hersenweefsel bij ratten.

Volgens de onderzoekers biedt algebraïsche topologie wiskundige hulpmiddelen voor het herkennen van de details van een neuraal netwerk, zowel in close-upmodus op het niveau van individuele neuronen als, op grotere schaal, van de structuur van de hersenen als geheel. Door deze twee niveaus met elkaar te verbinden, konden de onderzoekers multidimensionale geometrische structuren in de hersenen onderscheiden, gevormd door verzamelingen van nauw verwante neuronen (klikken) en lege ruimtes (holtes) daartussen.

"We vonden een verrassend groot aantal en variëteit aan klikken en grote holtes die niet eerder werden gevonden in neurale netwerken, noch biologisch, noch kunstmatig. Algebraïsche topologie is als een telescoop en een microscoop tegelijk, "legde een van de teamleden, wiskundige Catherine Hess van EPFL, uit. - Het helpt u dichter bij netwerken te komen om verborgen structuren te vinden en tegelijkertijd lege ruimtes te zien. Het is als het zoeken naar bomen en weilanden in één bos."

Deze gaten, of 'holtes', lijken van cruciaal belang voor het functioneren van de hersenen. Toen de onderzoekers virtueel hersenweefsel stimuleerden, zagen ze dat neuronen daar heel georganiseerd op reageren.

"Het is alsof de hersenen op de stimulus reageerden door een toren van multidimensionale blokken te bouwen en vervolgens te vernietigen, te beginnen met staven (1D), dan planken (2D), dan kubussen (3D) en dan complexere geometrieën - 4D, 5D, enz. - legt de wiskundige Ran Levy uit van de Universiteit van Aberdeen in Schotland. "De ontwikkeling van activiteit door de hersenen is als een multidimensionaal zandkasteel dat materialiseert uit het zand en vervolgens uiteenvalt."

De resultaten van het werk gaven de wereld een verbluffend en fris beeld van hoe de hersenen informatie verwerken. De onderzoekers merken echter op dat ze nog niet hebben ontdekt waarom klieken en holtes op zeer specifieke manieren worden gevormd. Er zal meer werk nodig zijn om te bepalen hoe de complexiteit van deze multidimensionale geometrische vormen gevormd door onze neuronen zich verhoudt tot de complexiteit van verschillende cognitieve taken.

Aanbevolen: