Ο ανθρώπινος εγκέφαλος μπορεί να δημιουργήσει δομές σε έως και 11 διαστάσεις

Νευροεπιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα κλασικό κλάδο των μαθηματικών με έναν εντελώς νέο τρόπο για να διερευνήσουν τη δομή του ανθρώπινου εγκεφάλου. Και αυτό που ανακάλυψαν είναι ότι ο εγκέφαλος διαθέτει πολυδιάστατες γεωμετρικές δομές που λειτουργούν σε 11 διαστάσεις.

Έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε τον κόσμο υπό μια τρισδιάστατη οπτική, όμως τα αποτελέσματα της νέας αυτής μελέτης θα μπορούσαν να αποτελέσουν το επόμενο σημαντικό βήμα για την κατανόηση της δομής του ανθρώπινου εγκεφάλου – την πιο πολύπλοκη δομή που γνωρίζουμε.

Αυτό το τελευταίο μοντέλο εγκεφάλου παρήχθη από μια ομάδα ερευνητών από την Blue Brain Project, μια ελβετική ερευνητική πρωτοβουλία αφιερωμένη στην οικοδόμηση ενός υπερυπολογιστή ανασυγκρότησης του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Η ομάδα χρησιμοποίησε αλγεβρική τοπολογία, τον κλάδο των μαθηματικών που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις ιδιότητες των αντικειμένων και των χώρων ανεξάρτητα από το πώς αλλάζουν σχήμα. Αυτό που διαπίστωσε ήταν ότι οι ομάδες των νευρώνων συνδέονται σε κλίκες, και ότι ο αριθμός των νευρώνων σε μια τέτοια κλίκα θα οδηγούσε το μέγεθός της ως ένα υψηλών-διαστάσεων γεωμετρικό αντικείμενο.

«Υπάρχουν δεκάδες εκατομμύρια από αυτά τα αντικείμενα ακόμα και σε ένα μικρό στίγμα του εγκεφάλου, έως και σε επτά διαστάσεις. Σε ορισμένα δίκτυα,  βρήκαμε ακόμα και δομές με έως και 11 διαστάσεις.» τονίζει ο νευροεπιστήμονας Henry Markram από το Ινστιτούτο EPFL στην Ελβετία.

Οι ανθρώπινοι εγκέφαλοι εκτιμάται ότι διαθέτουν 86 δισεκατομμύρια νευρώνες, με πολλαπλές συνδέσεις από κάθε κύτταρο πλεγμένες προς κάθε δυνατή κατεύθυνση, σχηματίζοντας το τεράστιο κυτταρικό δίκτυο και δίνοντας μας τη δυνατότητα για σκέψη και συνείδηση.

Με ένα τέτοιο τεράστιο αριθμό συνδέσεων, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός πώς δεν έχουμε ακόμη κατανοήσει πλήρως το πώς λειτουργεί το νευρωνικό δίκτυο του εγκεφάλου. Όμως, το νέο μαθηματικό υπόδειγμα που χτίστηκε από την ομάδα, μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά σε έναν πρότυπο ψηφιακό εγκέφαλο.

Για να εκτελέσει τα μαθηματικά τεστ, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα λεπτομερές μοντέλο του νεοφλοιού που δημοσίευσε η ομάδα Blue Brain Project το 2015. Ο νεοφλοιός πιστεύεται ότι είναι το πιο πρόσφατα εξελιγμένο μέρος του εγκεφάλου μας, και αυτό που ασχολείται με μερικές από τις υψηλότερες λειτουργίες, όπως τη νόηση και την αισθητηριακή αντίληψη.

Αφού ανέπτυξαν το μαθηματικό τους πλαίσιο και το έλεγξαν σε κάποια εικονικά ερεθίσματα, η ομάδα επιβεβαίωσε επίσης τα αποτελέσματά της σε πραγματικό εγκεφαλικό ιστό αρουραίων.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, η αλγεβρική τοπολογία παρέχει μαθηματικά εργαλεία για διακριτές λεπτομέρειες των νευρωνικών δικτύων, τόσο σε μια κοντινή άποψη σε επίπεδο μεμονωμένων νευρώνων, καθώς και σε μεγαλύτερη κλίμακα της δομής του εγκεφάλου ως σύνολο.

Με τη σύνδεση αυτών των δύο επιπέδων, οι ερευνητές μπορούσαν να διακρίνουν υψηλών-διαστάσεων γεωμετρικές δομές στον εγκέφαλο, που σχηματίζονταν από τις συλλογές των στενά συνδεδεμένων νευρώνων (κλίκες) και των κενών διαστημάτων (κοιλότητες) μεταξύ τους.

«Βρήκαμε ένα εντυπωσιακά υψηλό αριθμό και ποικιλία από κλίκες και κοιλότητες με κατευθύνσεις υψηλών διαστάσεων, που δεν είχαμε δει πριν σε νευρωνικά δίκτυα, είτε βιολογικά είτε τεχνητά» γράφει η ερευνητική ομάδα στη μελέτη.

«Η αλγεβρική τοπολογία είναι ταυτόχρονα σαν ένα τηλεσκόπιο και μικροσκόπιο», ανέφερε η ερευνήτρια της ομάδας, Kathryn Hess μαθηματικός από το Ινστιτούτο EPFL. «Mπορεί να κάνει zoom σε δίκτυα για να βρει κρυμμένες δομές, τα δέντρα σε ένα δάσος, και να δεί τους κενούς χώρους, τα ξέφωτα, και όλα αυτά ταυτόχρονα.»

Αυτά τα ξέφωτα ή κοιλότητες φαίνεται να είναι εξαιρετικά σημαντικά για τη λειτουργία του εγκεφάλου. Όταν οι ερευνητές έδωσαν στον εικονικό εγκεφαλικό ιστό τους, ένα ερέθισμα, αντιλήφθηκαν ότι οι νευρώνες αντιδρούσαν σε αυτόν με ένα εξαιρετικά οργανωμένο τρόπο.

«Είναι σαν ο εγκέφαλος να αντιδρά σε ένα ερέθισμα χτίζοντας και στη συνέχεια ισοπεδώνοντας έναν πύργο από πολυδιάστατα κομμάτια (blocks),  ξεκινώντας με ράβδους (1 D), στη συνέχεια, σανίδες (2D), έπειτα κύβους (3D), και στη συνέχεια πιο σύνθετες γεωμετρίες με 4 D, 5 D, κλπ,», δήλωσε ο μαθηματικός Ran Levi της ομάδας, από το Πανεπιστήμιο του Aberdeen στη Σκωτία. «Η εξέλιξη της δραστηριότητας διαμέσω του εγκεφάλου μοιάζει με ένα πολυδιάστατο κάστρο από άμμο που “υλοποιείται” από την άμμο και στη συνέχεια αποσυντίθεται.»

Τα ευρήματα αυτά παρέχουν μια νέα δελεαστική εικόνα για το πώς ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες, όμως οι ερευνητές επισημαίνουν ότι δεν είναι ακόμα σαφές τι κάνει τις κλίκες και τις κοιλότητες να σχηματίζονται με αυτούς τους πολύ συγκεκριμένους τρόπους.

Και θα χρειαστεί περισσότερη δουλειά για να καθορίσουν τον τρόπο που η πολυπλοκότητα αυτών των πολυδιαστατικών γεωμετρικών σχημάτων των νευρώνων, συσχετίζεται με την πολυπλοκότητα των διάφορων γνωστικών λειτουργιών.

Πηγή: sciencealert.com

Απόδοση/Επιμέλεια: Τομπέα Ελένη

socialpolicy.gr