Neurovedci využili klasické odvetvie matematiky novým spôsobom. Vďaka tomu nazreli do štruktúr našich mozgov úplne novým spôsobom. Zistili tak, že mozog je plný mnohorozmerných geometrických štruktúr, z ktorých niektoré sú až 11-dimenzionálne.
Ľudia sú zvyknutí svet vnímať v 3D perspektíve, takže je celkom náročné predstaviť si, čo tým vedci myslia. Výsledky novej štúdie nás posúvajú bližšie k pochopeniu ľudského mozgu, teda najkomplexnejšej veci, akú poznáme.
Najnovší model mozgu vytvoril tím výskumníkov z Blue Brain Project, švajčiarskej výskumnej iniciatíve oddanej zostaveniu ľudského mozgu za pomoci superpočítača.
Tím pre svoj výskum použil algebrickú topológiu, odvetvie matematiky využívané pre popis vlastností objektov a priestorov bez ohľadu na to, ako menia svoj tvar. Zistili, že sa skupiny neurónov spájajú do tzv. „neurónových klík“.
11-dimenzionálne štruktúry
„Našli sme niečo, čo sme si nikdy nevedeli predstaviť,“ opisuje výskum vedúci projektu, Henry Markram. „Aj v maličkej časti mozgu sú desiatky miliónov týchto objektov. Tvoria až sedem dimenzií. V niektorých sieťach sme našli 11-dimenzionálne štruktúry“.
Odhaduje sa, že priemerný ľudský mozog má približne 86 miliárd neurónov s niekoľkými prepojeniami každej jednej bunky všetkými možnými smermi. Vďaka tomu vznikajú prepojenia, ktoré nám akoby zázrakom umožňujú vnímať a myslieť.
Niet sa teda čudovať, že pri tak obrovskom množstve prepojení stále nemáme presný prehľad o tom, ako neurónová sieť presne funguje. Nový matematický algoritmus, s ktorým prišli vedci, nás k dosiahnutiu digitálnej repliky mozgu posúva o krok bližšie.
Pre svoj experiment a matematické testy tím využil detailný model neokortexu, ktorý publikovali ešte v roku 2015. Neokortex sa považuje za najnovšie vyvinutú časť našich mozgov, ktorá je zodpovedná za dôležitejšie, resp. zložitejšie funkcie, ako napríklad vedomie či zmyslové vnímanie.
Po vytvorení a otestovaní svojho matematického frameworku na virtuálnych podnetoch tím potvrdil svoju hypotézu na skutočnom mozgovom tkanive v potkanoch.
Podľa tímu sa dá algebrická typológia použiť pri rozoznaní detailov neurónovej siete zblízka, ale aj ako celok. Pri sledovaní geometrických štruktúr s niekoľkými dimenziami vedci zistili, že vznikli spojením kolekcií úzko spojených neurónov „klík“ a prázdnych miest „dutín“.
Mikroskop a teleskop v jednom
„Algebrická typológia je ako mikroskop a teleskop v jednom,“ tvrdí Kathryn Hess, matematička z EPFL.
„Dokáže priblížiť jednotlivé siete natoľko, že v nich nájdeme skryté štruktúry a súčasne vidieť aj medzery, resp. dutiny.“
Práve spomínané dutiny majú byť pre správne fungovanie mozgu kritické. Keď výskumníci vniesli do virtuálneho mozgového tkaniva podnet, zistili, že mozog naň zareagoval veľmi inteligentne a hlavne organizovane.
„Je to akoby mozog na podnet reagoval stavaním a potom ničením vežičiek zložených z mnohorozmerných blokov počnúc od tyčami (1D), potom doskami (2D), potom kockami (3D) až po komplexnejšie geometrické 4D, 5D, atď. útvary,“ vysvetľuje matematik Ran Levi zo škótskej Aberdeen University.
Nové zistenia tak odkrývajú fascinujúci pohľad na to, ako mozog funguje. Vedci si však zatiaľ nie sú istí odkiaľ pochádzajú podnety, ktoré spúšťajú správanie klík a dutín, aké videli pri experimentoch. Štúdium mnohorozmerných geometrických tvarov tvorených našimi neurónmi bude trvať ešte nejaký ten čas.
Jedno je však jasné. O algebrickej topológii v súvislosti s ľudským mozgom nepočujeme poslednýkrát.