Используя алгебраическую топологию способом, что это никогда не использовалось прежде в нейробиологии, команда из Синего Мозгового Проекта раскрыла вселенную многомерных геометрических структур и мест в сетях мозга.Исследование, изданное сегодня в Границах в Вычислительной Нейробиологии, показывает, что эти структуры возникают, когда группа нейронов формирует клику: каждый нейрон соединяется с любым нейроном в группе в очень особенном методе, который производит точный геометрический объект. Чем больше нейронов там находится в клике, тем выше измерение геометрического объекта.«Мы нашли мир, который мы никогда не воображали», говорит нейробиолог Генри Маркрэм, директор Синего Мозгового Проекта и преподаватель в EPFL в Лозанне, Швейцария, «есть десятки миллионов этих объектов даже в маленьком пятнышке мозга, через семь размеров.
В некоторых сетях мы даже нашли структуры максимум с одиннадцатью размерами».Markram предполагает, что это может объяснить, почему было настолько трудно понять мозг. «Математика, обычно применяемая к сетям исследования, не может обнаружить высоко-размерные структуры и места, которые мы теперь видим ясно».Если 4D миры протягивают наше воображение, миры с 5, 6 или больше размеров слишком сложны для большинства из нас, чтобы постигать. Это – то, где алгебраическая топология входит: отрасль математики, которая может описать системы с любым количеством размеров.
Математики, которые принесли алгебраическую топологию к исследованию мозговых сетей в Синем Мозговом Проекте, были Кэтрин Гесс от EPFL и Управляли Леви из Абердинского Университета.«Алгебраическая топология похожа на телескоп и микроскоп в то же время. Это может изменить масштаб изображения в сети, чтобы найти спрятанным структуры – деревья в лесу – и видеть пустые места – прояснения – все в то же время», объясняет Гесс.
В 2015 Синий Мозг издал первую цифровую копию части коры головного мозга – наиболее развитая часть мозга и место наших сенсаций, действий и сознания. В этом последнем исследовании, используя алгебраическую топологию, многократные тесты были выполнены на виртуальной мозговой ткани, чтобы показать, что многомерные мозговые обнаруженные структуры никогда не могли производиться случайно.
Эксперименты были тогда выполнены на реальной мозговой ткани во влажной лаборатории Синего Мозга в Лозанне, подтверждающей, что более ранние открытия в виртуальной ткани биологически релевантны и также предполагая, что мозг постоянно повторно телеграфирует во время развития, чтобы построить сеть с как можно большим количеством высоко-размерных структур.Когда исследователи подарили виртуальной мозговой ткани стимул, клики прогрессивно более высоких размеров, собранных на мгновение, чтобы приложить высоко-размерные отверстия, что исследователи называют впадинами. «Появление высоко-размерных впадин, когда мозг обрабатывает информацию, означает, что нейроны в сети реагируют на стимулы чрезвычайно организованным способом», говорит Леви. «Это – как будто мозг реагирует на стимул, строя тогда снос башни многомерных блоков, старта с прутов (1D), затем (2D) доски, затем (3D) кубы, и затем более сложные конфигурации с 4D, 5D, и т.д. Прогрессия деятельности через мозг напоминает многомерный замок из песка, который осуществляется из песка и затем распадается».
Большой вопрос, который эти исследователи задают теперь, состоит в том, зависит ли запутанность задач, которые мы можем выполнить, от сложности многомерных «замков из песка», которые может построить мозг. Нейробиология также изо всех сил пыталась найти, где мозг хранит свои воспоминания. «Они могут ‘скрываться’ в высоко-размерных впадинах», Маркрэм размышляет.