O cercetare publicată în 2017 a scos la iveală o arhitectură neuronală atât de complexă, încât matematica folosită pentru a o descrie ajunge la 11 dimensiuni. Cercetătorii proiectului Blue Brain din Elveția au identificat tipare sofisticate de conexiuni între neuroni, care ar putea ajuta la explicarea modului în care rețelele nervoase organizează informația. Dar există un detaliu esențial: nu au descoperit dimensiuni fizice ascunse în creier și nici nu au demonstrat unde sunt stocate amintirile.
O lume matematică ascunsă în conexiunile neuronale
În 12 iunie 2017, o echipă internațională asociată proiectului Blue Brain, coordonat la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, a publicat în revista Frontiers in Computational Neuroscience un studiu despre arhitectura rețelelor neuronale.
Cercetătorii au folosit topologia algebrică, o ramură a matematicii care permite descrierea proprietăților și relațiilor dintre structuri complexe. În loc să privească neuronii doar ca pe niște celule conectate între ele, echipa a analizat felul în care conexiunile lor se organizează în tipare de complexitate crescândă.
Rezultatul a fost spectaculos: analiza a identificat grupuri de neuroni interconectați și structuri matematice cu numeroase dimensiuni. Comunicatul asociat cercetării a menționat structuri care ajungeau până la 11 dimensiuni în anumite rețele analizate.
Nu este vorba despre un nou organ, despre tuneluri ascunse în creier sau despre universuri fizice miniaturale. Dimensiunile descriu matematic relațiile dintre elementele rețelei neuronale.
Ce sunt grupurile de neuroni care formează aceste structuri?
Un concept-cheie al studiului este cel de „clique”: un grup de neuroni în care fiecare neuron este conectat cu ceilalți membri ai grupului, potrivit regulilor matematice utilizate în analiză.
Pe măsură ce asemenea grupuri se combină și împart conexiuni, pot apărea structuri geometrice abstracte, inclusiv cavități multidimensionale. Acestea nu sunt găuri fizice în țesutul cerebral, ci forme matematice care descriu organizarea conexiunilor.
Pentru a înțelege mai ușor, imaginează-ți o rețea simplă de puncte unite prin linii. Dacă adaugi conexiuni, apar triunghiuri, apoi structuri geometrice mai complicate. Matematica poate descrie aceste relații și atunci când complexitatea lor depășește ceea ce putem vizualiza intuitiv în trei dimensiuni.
Au descoperit cercetătorii secretul memoriei?
Aici trebuie făcută diferența dintre o ipoteză fascinantă și o descoperire demonstrată.
Studiul din 2017 a analizat în principal reconstrucții digitale ale microcircuitelor din neocortexul șobolanului, realizate pe baza datelor biologice. Modelul cuprindea aproximativ 31.000 de neuroni și circa opt milioane de conexiuni. Cercetătorii au comparat organizarea rețelei și au simulat răspunsul acesteia la stimuli.
Au identificat o legătură între complexitatea tiparelor de conectivitate și activitatea neuronală corelată. Experimentele pe țesut cerebral real au oferit, de asemenea, dovezi relevante pentru existența unor astfel de structuri.
Echipa a propus că aceste tipare ar putea contribui la înțelegerea modului în care creierul procesează informația. Ideea că structurile respective ar putea avea legătură cu stocarea amintirilor a fost prezentată ca o posibilitate de cercetare, nu ca un fapt demonstrat.
Așadar, nu există dovada că amintirile sunt depozitate în cavități de 11 dimensiuni. Nici studiul nu a demonstrat că aceste structuri explică singure conștiința, gândirea sau învățarea.
De ce contează această descoperire?
Importanța cercetării constă în perspectiva nouă pe care o oferă asupra organizării creierului. În loc să studieze separat neuronii și conexiunile lor, oamenii de știință pot analiza structura matematică a întregii rețele și felul în care aceasta se modifică în timpul activității.
Această abordare ar putea contribui la dezvoltarea unor modele mai bune despre procesarea informației în sistemele nervoase. Totuși, aplicarea rezultatelor la funcțiile creierului uman necesită cercetări suplimentare.
Cea mai surprinzătoare lecție nu este că am avea 11 dimensiuni ascunse în cap, ci că un organ biologic poate avea o organizare atât de complexă, încât pentru a-i descrie conexiunile avem nevoie de instrumente matematice care depășesc intuiția noastră obișnuită.
