Ο εγκέφαλος συνεχίζει να μας εκπλήσσει με την υπέροχη πολυπλοκότητά του.

  Η πρωτοποριακή έρευνα που συνδυάζει τη νευροεπιστήμη με τα μαθηματικά μας λέει ότι ο εγκέφαλός μας δημιουργεί νευρικές δομές με έως και 11 διαστάσεις όταν επεξεργάζεται πληροφορίες. Με τον όρο "διαστάσεις", εννοούν αφηρημένους μαθηματικούς χώρους, όχι άλλες φυσικές σφαίρες. Ωστόσο, οι ερευνητές «βρήκαν έναν κόσμο που δεν είχαμε ποτέ φανταστεί», είπε ο Henry Markram, διευθυντής του Blue Brain Project, που έκανε την ανακάλυψη.

Ο στόχος του Blue Brain Project, που εδρεύει στην Ελβετία, είναι να δημιουργήσει ψηφιακά μια «βιολογικά λεπτομερή» προσομοίωση του ανθρώπινου εγκεφάλου. Δημιουργώντας ψηφιακούς εγκεφάλους με ένα «άνευ προηγουμένου» επίπεδο βιολογικών πληροφοριών, οι επιστήμονες στοχεύουν να προωθήσουν την κατανόησή μας για τον απίστευτα περίπλοκο ανθρώπινο εγκέφαλο, ο οποίος έχει περίπου 86 δισεκατομμύρια νευρώνες.  

Για να αποκτήσουν μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για το πώς λειτουργεί ένα τόσο τεράστιο δίκτυο για να σχηματίσει τις σκέψεις και τις πράξεις μας, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν υπερυπολογιστές και έναν περίεργο κλάδο των μαθηματικών. Η ομάδα στήριξε την τρέχουσα έρευνά της στο ψηφιακό μοντέλο του νεοφλοιού που ολοκλήρωσε το 2015. Εξέτασε τον τρόπο με τον οποίο ανταποκρίθηκε αυτός ο ψηφιακός νεοφλοιός χρησιμοποιώντας το μαθηματικό σύστημα της αλγεβρικής τοπολογίας. Τους επέτρεψε να προσδιορίσουν ότι ο εγκέφαλός μας δημιουργεί συνεχώς πολύ περίπλοκα πολυδιάστατα γεωμετρικά σχήματα και χώρους που μοιάζουν με «κάστρα από άμμο».

Χωρίς τη χρήση αλγεβρικής τοπολογίας, ένας κλάδος των μαθηματικών που περιγράφει συστήματα με οποιοδήποτε αριθμό διαστάσεων, η οπτικοποίηση του πολυδιάστατου δικτύου ήταν αδύνατη.

Χρησιμοποιώντας τη νέα μαθηματική προσέγγιση, οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν τον υψηλό βαθμό οργάνωσης σε αυτό που προηγουμένως φαινόταν σαν «χαοτικά» μοτίβα νευρώνων.

Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν πρώτα δοκιμές στον εικονικό εγκεφαλικό ιστό που δημιούργησαν και στη συνέχεια επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα κάνοντας τα ίδια πειράματα σε πραγματικό εγκεφαλικό ιστό από αρουραίους.

Όταν διεγείρονταν, οι εικονικοί νευρώνες θα σχημάτιζαν μια κλίκα, με κάθε νευρώνα συνδεδεμένο με έναν άλλον με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζεται ένα συγκεκριμένο γεωμετρικό αντικείμενο. Ένας μεγάλος αριθμός νευρώνων θα πρόσθετε περισσότερες διαστάσεις, οι οποίες σε ορισμένες περιπτώσεις έφτασαν τις 11. Οι δομές θα οργανώνονταν γύρω από μια τρύπα υψηλών διαστάσεων που οι ερευνητές ονόμασαν «κοιλότητα». Αφού ο εγκέφαλος επεξεργάστηκε τις πληροφορίες, η κλίκα και η κοιλότητα εξαφανίστηκαν.

Η σημασία της ανακάλυψης έγκειται στο ότι μας επιτρέπει να κατανοήσουμε "ένα από τα θεμελιώδη μυστήρια της νευροεπιστήμης - τη σύνδεση μεταξύ της δομής του εγκεφάλου και του τρόπου με τον οποίο επεξεργάζεται τις πληροφορίες", είπε η Κάθριν Χες σε μια συνέντευξη στο Newsweek.

 Οι επιστήμονες προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν την αλγεβρική τοπογραφία για να μελετήσουν τον ρόλο της «πλαστικότητας», που είναι η διαδικασία ενίσχυσης και αποδυνάμωσης των νευρικών συνδέσεων όταν διεγείρονται - ένα βασικό συστατικό στο πώς μαθαίνει ο εγκέφαλός μας. Βλέπουν περαιτέρω εφαρμογή των ευρημάτων τους στη μελέτη της ανθρώπινης νοημοσύνης και στο σχηματισμό αναμνήσεων.

 Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Frontiers in Computational Neuroscience.