Gli scienziati rivelano un universo multidimensionale all'interno del cervello umano ma è una simulazione

Image Credit: Blue Brain Project.

Gli scienziati rivelano un universo multidimensionale all'interno del cervello umano ma è una simulazione

Gli scienziati hanno scoperto che il cervello umano può creare strutture fino a 11 dimensioni

Uno studio pubblicato su Frontiers in Neuroscience computazionale ha rivelato che le strutture del cervello umano operano fino a 11 dimensioni. Condotti dal Blue Brain Project, gli scienziati hanno scoperto nuovi affascinanti dettagli sulla complessità del cervello umano.

"Abbiamo trovato un mondo che non avremmo mai immaginato", ha spiegato il neuroscienziato Henry Markram, direttore del Blue Brain Project e professore all'EPFL di Losanna, in Svizzera.

Un universo di strutture multidimensionali all'interno del cervello

L'immagine tenta di illustrare qualcosa che non può essere immaginato - un universo di strutture e spazi multidimensionali. A sinistra è una copia digitale di una parte della neocorteccia, la parte più evoluta del cervello. Sulla destra ci sono forme di diverse dimensioni e geometrie nel tentativo di rappresentare strutture che vanno da 1 dimensione a 7 dimensioni e oltre. Il "buco nero" al centro è usato per simboleggiare un complesso di spazi multidimensionali o cavità. I ricercatori del Blue Brain Project riferiscono che gruppi di neuroni legati a tali cavità forniscono l'anello mancante tra struttura e funzione neurali, nel loro nuovo studio pubblicato su Frontiers in Computational Neuroscience. Credito d'immagine: Blue Brain Project.

“Ci sono decine di milioni di questi oggetti anche in un piccolo granello di cervello, attraverso sette dimensioni. In alcune reti, abbiamo anche trovato strutture con un massimo di dimensioni", ha aggiunto Markram.

Studiare il cervello umano, gli utenti hanno scoperto che le visioni matematiche tradizionali non erano registrati e inefficaci.

"La matematica applicata applicata alle reti di studio non è in grado di rilevare le strutture e gli spazi ad alta dimensione che ora vede chiaramente", ha rivelato Markram.

Invece, gli scienziati hanno deciso di provare la topologia algebrica.

La topologia algebrica è una branca della matematica che utilizza strumenti dell'algebra astratta per studiare gli spazi topologici.

Gli scienziati del Blue Brain Project sono stati assistiti dai matematici Kathryn Hess dell'EPFL e Ran Levi dell'Università di Aberdeen nell'applicazione di questa disciplina nel loro nuovo studio.

il professor Hess ha spiegato: 

“La topologia algebrica è come un telescopio e un microscopio allo stesso tempo. Può ingrandire le reti per trovare strutture nascoste - gli alberi nella foresta - e vedere gli spazi vuoti - le radure - tutto allo stesso tempo".

Gli scienziati hanno scoperto che le strutture all'interno del cervello sono create quando un gruppo di neuroni - cellule che trasmettono segnali nel cervello - formano qualcosa chiamato cricca. Ogni neurone è collegato a ogni altro neurone nel gruppo in un modo unico, creando un nuovo oggetto. Più neuroni ci sono in una cricca, maggiore è la "dimensione" dell'oggetto.

La topografia algebrica ha permesso agli scienziati di modellare le strutture all'interno di un cervello virtuale, creato con l'aiuto dei computer. Hanno quindi effettuato esperimenti sul tessuto cerebrale reale, al fine di verificarne i risultati.

Aggiungendo stimoli nel cervello virtuale, i ricercatori hanno scoperto che si radunavano cricche di dimensioni progressivamente SUPERIORI. Inoltre, tra le cricche, gli scienziati hanno scoperto cavità.

"La comparsa di cavità ad alta dimensione quando il cervello elabora informazioni significa che i neuroni nella rete reagiscono agli stimoli in modo estremamente organizzato. È come se il cervello reagisse a uno stimolo costruendo poi rastrellando una torre di blocchi multidimensionali, iniziando con barre (1D), quindi tavole (2D), quindi cubi (3D) e quindi geometrie più complesse con 4D, 5D, ecc.”
"La progressione dell'attività attraverso il cervello ricorda un castello di sabbia multidimensionale che si materializza dalla sabbia e poi si disintegra".

I nuovi dati sul cervello umano offrono informazioni senza precedenti su come il cervello umano elabora le informazioni.

Tuttavia, gli scienziati hanno affermato che non è ancora chiaro come si formino le cricche e le cavità nei loro modi altamente specifici. Il nuovo studio potrebbe eventualmente aiutare gli scienziati a scoprire uno dei più grandi misteri della neuroscienza: dove il cervello "immagazzina" i suoi ricordi.

"Potrebbero nascondersi in cavità ad alta dimensione", ha concluso Markram.


L'articolo, pubblicato su Frontiers in Computational Neuroscience, proviene dal laboratorio di Henry Markram, uno dei neuroscienziati più potenti del mondo. Oltre a essere a capo del Blue Brain Project all'École Polytechnique Fédérale di Losanna, Markram ha fondato il Progetto per il cervello umano da 1 miliardo di euro e co-fondatore del colosso dell'editoria scientifica Frontiers. Il nuovo documento è affascinante. Ma i titoli erano completamente fuorvianti: 

questo documento non ha nulla a che fare con i multiversi e molto poco a che fare con qualsiasi cosa tridimensionale. Il documento riguarda in realtà le "cricche" dei neuroni. Una cricca è semplicemente un gruppo di neuroni, ognuno dei quali è collegato a tutti gli altri. 

Ecco un diagramma (grafico) che mostra un'ipotetica cricca di 5 neuroni:

 Se questi fossero veri neuroni, occuperebbero ovviamente lo spazio tridimensionale, proprio come qualsiasi altra cosa nell'universo. Ora, i matematici si riferiscono a una cricca di 5 neuroni con una dimensione di 4. Ciò non significa che cinque neuroni collegati occupino una misteriosa quarta dimensione. Significa solo che il grafico delle connessioni potrebbe essere rappresentato come un oggetto a 4 dimensioni. Ma potremmo anche descriverlo come un diagramma bidimensionale (visto sopra.) In generale, una cricca contenente n nodi ha una dimensione di n-1. I nodi potrebbero essere neuroni o qualsiasi altra cosa. Da dove viene la strana copertura mediatica multidimensionale? Sembra essere stato ispirato dal comunicato stampa di Frontiers pieno di clamore su questo documento, chiamato "Blue Brain Team scopre un universo multidimensionale in Brain Networks". Se guardi oltre i titoli, il documento è in realtà piuttosto interessante, anche se solleva più domande di quante non risponda. La grande affermazione è che le reti neurali nel cervello contengono un numero inaspettatamente elevato di cricche, comprese quelle grandi con una dimensione di 7 (non 11, però.)

 

 Un avvertimento è che la maggior parte del lavoro in questo documento non è stato svolto su cervelli umani reali, ma piuttosto in una simulazione al computer di un piccolo pezzo di corteccia cerebrale di ratto. La rete neurale virtuale comprende 31.000 neuroni e 8 milioni di connessioni. Gli autori affermano che la simulazione "assomiglia molto" alla corteccia di ratto reale in molti modi, ma è comunque una simulazione. L'articolo contiene alcuni lavori su reti neurali reali (da ratti e vermi di C. elegans) che confermano la presenza di molte cricche di grandi dimensioni. Cosa significa la natura cricca del sistema nervoso? Questo resta da vedere. Gli autori suggeriscono che le cricche potrebbero essere molto importanti. In effetti, che potrebbero essere un principio unificante del cervello:

    Noi ipotizziamo che uno stimolo possa essere elaborato legando i neuroni in cricche di dimensione sempre più elevata, come una classe specifica di assiemi cellulari, possibilmente per rappresentare le caratteristiche dello stimolo, e legando queste cricche in cavità di crescente complessità, forse per rappresentare le associazioni tra le funzionalità.

Mi chiedo tuttavia se le cricche e le cavità potrebbero essere solo un effetto collaterale del fatto che i neuroni non si collegano tra loro in modo casuale in tutto il cervello, ma sono contrapposti ad es. prossimità spaziale? Se un gruppo di neuroni si trova fisicamente vicini tra loro, è più probabile che sinapsi tra loro piuttosto che con neuroni molto lontani, e quindi una cricca potrebbe essere formata solo in prossimità. Artzy-Randrup et al. (h / t) ha ribadito questo punto nel 2004 in risposta alle affermazioni di strutture di rete complesse nel sistema nervoso C. elegans:

    I neuroni sono aggregati spazialmente e le connessioni tra i neuroni hanno la tendenza a formarsi in cluster locali (15). Due neuroni vicini hanno maggiori probabilità di formare una connessione rispetto a due neuroni distanti alle estremità opposte della rete.

Gli autori del nuovo articolo hanno considerato una condizione di controllo, una simulazione basata su "probabilità di connessione dipendenti dalla distanza tra i diversi tipi morfologici di neuroni". Riferiscono che la "vera" simulazione della corteccia di ratto ha mostrato più cricche rispetto alla simulazione di controllo. Ciò suggerisce che l'abbondanza di cricche non è solo un prodotto di prossimità. Ma ricorda, questa era tutta una simulazione.

Fonte  Curiosmos & DiscoverMagazine