Швейцарские ученые и специалисты IBM нашли в мозге структуры, существующие в четырех, пяти и даже одиннадцати измерениях. Играючи собирая и разрушая башенки из таких структур, мозг обрабатывает входящие сигналы, – передает "Популярная Механика".
Исследователи из IBM и Швейцарского федерального технического института Лозанны уже больше 10 лет работают над моделированием головного мозга человека. В 2015 году им удалось смоделировать один небольшой участок соматосенсорной коры объемом всего 0,3 мм³. Такой участок называется колонкой: нейроны в ней в большей степени связаны друг с другом, чем с внешними нейронами. Чтобы создать модель одной крошечной колонки, ученым пришлось записать активность 14 тысяч нейронов и описать 8 миллионов нейронных связей. Это очень много, и вычислительной мощности суперкомпьютера Blue Gene едва хватило на симуляцию каждой синаптической связи; во всем же человеческом мозге таких связей 10 11 — 10 13.
На этот раз ученые воспользовались результатами двухлетней давности и новыми моделями, чтобы описать геометрию одной колонки и ее отдельных фрагментов. Результаты работы, опубликованные в журнале Frontiers in Computational Neuroscience, напоминают цитату из фантастического фильма: ученые обнаружили в мозге структуры, существующие в четырех, пяти, а иногда и 11 измерениях.
Разумеется, увидеть такие структуры человеческому глазу не дано; их вычислили при помощи методов алгебраической топологии — раздела математики, уравнения которого позволяют описывать пространства и объекты, существующие в скольких угодно измерениях.
Как утверждается в статье, многомерные структуры возникают, когда нейроны связываются друг с другом особым образом; порядок связей задает геометрию объекта. Чем больше связей, тем она сложнее.
"Таких (многомерных) объектов в крошечном кусочке мозга — десятки миллионов", — объясняет нейробиолог Генри Маркам, участник проекта Blue Brain Project. Ученый считает, что открытие многомерных структур объясняет то, как сложно было изучать и моделировть мозг: "Мы пользовались математическим аппаратом, который не рассчитан на манипуляции с настолько многомерными объектами. Сейчас мы можем с ними работать". Описание многомерных нейронных структур стало возможным благодаря двум специалистам по топологии — Кэтрин Гесс (Kathryn Hess) из Лозанны и Рана Леви (Ran Levi) из университета Абердина.
Ученым удалось описать участие многомерных структур в работе мозга. Когда мозг получает сигнал-стимул, он выстраивает последовательности из объектов возрастающей сложности: палочек (1D), плоскостей (2D), кубиков (3D) и более сложных и многомерных объектов, вместе формирующих замысловатые структуры, которые рассыпаются так же быстро, как возводятся. Всё эти процессы крайне упорядочены.
Теперь ученым предстоит ответить на новые вопросы о том, как работают такие конструкции: зависит ли сложность конструкции от сложности задания и участвуют ли такие нейронные сооружения в хранении памяти.
Главные темы