Prieš du tūkstančius metų senovės graikai pažvelgė į naktinį dangų ir pamatė tarp žvaigždžių atsirandančias geometrines figūras: medžiotoją, liūtą, vandens vazą. Tam tikra prasme jie naudojo šiuos žvaigždynus, kad įprasmintų atsitiktinai išsibarsčiusias žvaigždes visatos audinyje. Transformuodami astronomiją į formas, jie rado būdą supaprastinti ir įprasminti labai sudėtingą sistemą. Žinoma, graikai klydo: dauguma žvaigždyno žvaigždžių visiškai neturi nieko bendro. Tačiau jų požiūris gyvuoja.
Šią savaitę „Mėlynųjų smegenų“projektas pateikė įdomią idėją, kuri galėtų paaiškinti žmogaus smegenų sudėtingumą. Naudodami algebrinę topologiją - matematikos tipą, kuris „projektuoja“sudėtingas jungtis grafikų pavidalu, mokslininkai nustatė sudėtingų funkcijų, atsirandančių dėl neuroninių tinklų struktūros, kelią.
Ir štai kas yra svarbu: nors mūsų smegenys fiziškai užima vietą mūsų trimačiame pasaulyje, jo vidiniai ryšiai - matematiškai kalbant - veikia daug dimensijiškesnėje erdvėje. Žmogiškai kalbant, surinkti ir išardyti nervinius ryšius yra labai sunku, net labiau nei tikėtasi. Bet dabar mes turime kalbą, kuri juos apibūdina.
„Mes radome pasaulį, kurio niekada nesitikėjome pamatyti“, - sako tyrimui vadovaujantis dr. Henry Markramas, „Blue Brain“projekto direktorius ir EPFL profesorius Lozanoje, Šveicarijoje.
Gal todėl smegenis buvo taip sunku suprasti, sako jis. "Matematika, paprastai taikoma tyrimų tinklams, negali aptikti aukštų matmenų struktūrų ir erdvių, kurias dabar aiškiai matome".
Aukštos
erdvės pasaulis Kai galvojame apie smegenis, į galvą ateina išsišakojantys neuronai ir minkštieji audiniai - gana trimačiai objektai. Fiziškai kalbant, nėra miniatiūrinių mini smegenų, kurios slepiasi mūsų pačių, ir mūsų neuronai nepajuda į kažkokį aukštesnį būties lygį, kai jie yra suaktyvinti.
Už fizikos ribų „dimensija“yra tik juokingas būdas apibūdinti sudėtingumą. Paimkime, pavyzdžiui, trijų kartu dirbančių neuronų grupę (A, B ir C). Dabar pagalvokite, kiek būdų juos sujungti. Kadangi informacija iš neurono partneriui paprastai perduodama tik vienu būdu, A gali būti siejama tik su B arba C. Topologiniu požiūriu, čia matmuo yra lygus dviem.
Panašiai keturių neuronų grupė turi tris ir penkis, keturis. Kuo daugiau neuronų grupėje, tuo didesnė dimensija, todėl sistema nuolat komplikuojasi.
„Mūsų tyrime dimensija neapibūdina erdvinių matmenų, o aprašytų geometrinių objektų topologinė dimensija. 7 ar 11 dimensijų simeksas bus įtrauktas į fizinę 3D erdvę “, - aiškina tyrimo autorius Maxas Nolte, EPFL magistrantas.
Daugialypės jungtys Norėdami pradėti išardyti smegenų organizaciją, mokslininkai pradėjo nuo funkcinių blokų, vadinamų paprastumais. Kiekvienas simplexas yra tam tikra neuronų grupė, sujungta tarpusavyje labai specifine tvarka.
Vienas neuronas yra labai svarbus ir kalba pirmiausia, vienas išklauso visus neuronus, o kitas išklauso kelis ir kalba su tais, kurie nėra, sako Nolte. "Ši speciali struktūra užtikrina, kad klausantys neuronai iš tikrųjų supras kalbančius smegenų neuronus, kur vienu metu visada kalba milijonai neuronų, tarsi stadiono minia."
Kaip ir anksčiau, matmuo apibūdina paprastojo komplekso sudėtingumą.
Šešiuose skirtinguose virtualiuose smegenyse, kurių kiekviena buvo rekonstruota pagal eksperimentinius žiurkių duomenis, mokslininkai ieškojo šių abstrakčių matematinių objektų požymių. Neįtikėtina, kad virtualiose smegenyse buvo labai sudėtingi paprastumai - iki septintosios dimensijos - ir maždaug 80 milijonų mažesnių neuronų „grupių“.
Didelis smegenyse paslėptų paprastųjų skaičių skaičius rodo, kad kiekvienas neuronas yra daugybės funkcinių grupių dalis, kur kas daugiau nei manyta anksčiau, sako Nolte.
Funkcijų atsiradimas Jei sudedamosios dalys yra sudedamosios dalys, kaip jos susijungia, kad sudarytų dar sudėtingesnius tinklus?
Kai komanda paskatino savo virtualias smegenis, neuronai, susibūrę į tokius sudėtingus tinklus kaip LEGO plytos, suformavo pilį. Bet šis ryšys vėlgi nebūtinai bus fizinis. Neuronai jungiasi kaip socialinis grafas, ir šie grafikai sudaro tinklą ar kitą aukšto matmens struktūrą.
Pritaikymas nebuvo tobulas: tarp aukštų matmenų struktūrų buvo „skylių“, vietų, kur nebuvo jokių jungčių, kad būtų suformuotas naujas tinklas.
Kaip ir paprastumai, skylės taip pat turi savo matmenis. Tam tikru būdu, anot Nolte, „skylės matmuo apibūdina, kaip artimi buvo paprastumai, norint pasiekti aukštesnį matmenį“arba kaip gerai statybinės medžiagos yra sujungtos viena su kita.
Vis didesnių matmenų skylių atsiradimas mums sako, kad tinklo neuronai į dirgiklius (dirgiklius) reaguoja „itin organizuotai“, sako dr. Ranas Levy iš Aberdyno universiteto, taip pat dirbęs prie šio straipsnio.
Žiūrėdami į smegenų reakciją į dirgiklį laikui bėgant, matome, kaip abstrakti geometriniai objektai formuojasi ir vėliau byrėja, kai yra kuriami funkciniai tinklai, sako Levy.
Pirma, smegenys verbuoja paprastesnius neuroninius tinklus, kad sukurtų vienmatį „rėmą“. Tada šie tinklai sujungiami, kad būtų sudarytos dvimatės „sienos“, tarp kurių būtų „skylės“. Vėlesnės ir vis didesnio matmens struktūros ir skylės susidaro tol, kol pasiekia aukščiausią organizaciją - kad ir kokie būtų ryšiai tarp neuronų.
Tada visa konstrukcija žlunga, atlaisvindama kitos užduoties paprastumus, pavyzdžiui, smėlio pilis materializuojasi ir tada išsiskaido.
„Mes nežinome, ką daro smegenys, kad susidarytų šios ertmės“, - sako Levy. Tačiau žinoma, kad neuronai turi šaudyti „fantastiškai tvarkingai“, kad atsirastų šios arogantiškos struktūros.
„Akivaizdu, kad ši hiperorganizuota veikla nėra tik sutapimas. Tai gali būti raktas suprasti, kas vyksta, kai smegenys yra aktyvios “, - sako Levy.
Sinchroninis dialogas Mokslininkai taip pat išsiaiškino, kaip tos pačios ar skirtingų grupių neuronai bendrauja tarpusavyje po stimulo. Viskas priklauso nuo to, ar jie yra aukštų matmenų struktūrose, ar grupėse. Įsivaizduokite, kad bendrauja du „nepažįstami“neuronai, sako Nolte. Jie tikriausiai sako daug nesusijusių dalykų, nes nepažįsta vienas kito.
Dabar įsivaizduokite, kad po dirgiklio jie suformuoja didelės dimensijos tinklus. Panašiai kaip „Twitter“, šis tinklas leidžia vienam neuronui išgirsti kitą, ir jie netgi gali kartotis po kitų. Jei jie abu seka dešimtis kitų žmonių, jų tweetai gali būti dar panašesni, nes mintis skatina minia.
„Naudodami paprastuosius raštus, mes ne tik suskaičiuojame, kiek žmonių jie seka, bet ir kaip šie žmonės yra tarpusavyje susiję“, - sako Nolte. Kuo daugiau tarpusavyje susiję du neuronai - kuo daugiau paprastumų jie įeina - tuo panašesni jie aktyvuojasi, reaguodami į dirgiklį.
Tai aiškiai parodo smegenų funkcinės struktūros svarbą: struktūra lemia koreliuojančios veiklos atsiradimą, sako Levy.
Ankstesni tyrimai parodė, kad fizinė neuronų struktūra ir sinapsės daro įtaką veiklos modeliui; mes dabar žinome, kad čia taip pat svarbūs jų ryšiai „didelės dimensijos erdvėje“.
Komanda tikisi suprasti, kaip šie sudėtingi abstraktūs tinklai formuoja mūsų mąstymą ir elgesį.
„Tai panašu į tai, kad ieškoma žodyno, kuris visiškai nesuprantamą kalbą verčia kita kalba, kurią mes puikiai mokame, net jei ne visai suprantame visus ta kalba parašytus tekstus“, - sako Levy.
Laikas iššifruoti šias istorijas, priduria mokslininkas.
ILYA KHEL