default | grid-3 | grid-2

Post per Page

Den mänskliga hjärnan bygger strukturer i 11 dimensioner, upptäcker forskare

Forskare har använt ett traditionellt matematikfält i ett helt nytt tillvägagångssätt för att undersöka anatomin hos mänskliga hjärnor. De avslöjade att hjärnan är fylld av flerdimensionella geometriska strukturer som fungerar i upp till 11 dimensioner.


Vi är vana vid att se världen i tre dimensioner, så det här kan låta svårt, men resultaten av denna nya studie kan vara nästa viktiga steg för att förstå väven i den mänskliga hjärnan - den mest invecklade strukturen vi har upptäckt.


Blue Brain Project, en schweizisk vetenskaplig strävan tillägnad att utveckla en superdatordriven rekreation av den mänskliga hjärnan, skapade sin senaste hjärnmodell.


Teamet använde algebraisk topologi, en gren av matematiken som används för att beskriva egenskaperna hos objekt och utrymmen oavsett hur de ändrar form. De fann att grupper av neuroner ansluter till " klickar ", och att antalet neuroner i en klick skulle leda till dess storlek som ett högdimensionellt geometriskt objekt.



"Vi hittade en värld som vi aldrig hade föreställt oss. Det finns tiotals miljoner av dessa objekt även i en liten fläck av hjärnan, upp genom sju dimensioner. I vissa nätverk hittade vi till och med strukturer med upp till 11 dimensioner." säger huvudforskaren, neuroforskaren Henry Markram från EPFL-institutet i Schweiz.


Människans hjärnor beräknas ha häpnadsväckande 86 miljarder neuroner, med flera kopplingar från varje cellväv i alla möjliga riktningar, vilket bildar det enorma cellulära nätverket som på något sätt gör oss kapabla till tanke och medvetande. Med ett så stort antal kopplingar att arbeta med är det inte konstigt att vi fortfarande inte har en grundlig förståelse för hur hjärnans neurala nätverk fungerar. Men det nya matematiska ramverket som byggts av teamet tar oss ett steg närmare att en dag ha en digital hjärnmodell.


För att utföra de matematiska testerna använde teamet en detaljerad modell av neocortex som Blue Brain Project-teamet publicerade redan 2015. Neocortex tros vara den senast utvecklade delen av våra hjärnor, och den som är involverad i några av våra högre- ordningsfunktioner som kognition och sensorisk perception.


Efter att ha utvecklat sitt matematiska ramverk och testat det på några virtuella stimuli, bekräftade teamet också sina resultat på riktig hjärnvävnad hos råttor. Enligt forskarna ger algebraisk topologi matematiska verktyg för att urskilja detaljer i det neurala nätverket både i en närbild på nivån för enskilda neuroner och en större skala av hjärnans struktur som helhet.


Genom att koppla samman dessa två nivåer kunde forskarna urskilja högdimensionella geometriska strukturer i hjärnan, bildade av samlingar av tätt sammankopplade neuroner (klickar) och de tomma utrymmena (hålrummen) mellan dem.


"Vi hittade ett anmärkningsvärt stort antal och variation av högdimensionella riktade klickar och kaviteter, som inte hade setts tidigare i neurala nätverk, varken biologiska eller artificiella", skriver teamet i studien.

"Algebraisk topologi är som ett teleskop och ett mikroskop på samma gång. Den kan zooma in i nätverk för att hitta dolda strukturer, träden i skogen och se de tomma utrymmena, gläntorna, allt på samma gång." säger en i teamet, matematikern Kathryn Hess från EPFL.


Dessa röjningar eller håligheter verkar vara avgörande för hjärnans funktion. När forskare gav sin virtuella hjärnvävnad en stimulans såg de att nervceller reagerade på det på ett mycket organiserat sätt.


"Det är som om hjärnan reagerar på en stimulans genom att bygga [och] sedan riva ett torn av flerdimensionella block, börja med stavar (1D), sedan plankor (2D), sedan kuber (3D), och sedan mer komplexa geometrier med 4D, 5D, etc. Progressionen av aktivitet genom hjärnan liknar ett flerdimensionellt sandslott som materialiserar sig ur sanden och sedan sönderfaller." säger en i teamet, matematiker Ran Levi från Aberdeen University i Skottland.


Dessa fynd ger en lockande ny bild av hur hjärnan bearbetar information, men forskarna betonar att det ännu inte är klart vad som gör att klicken och hålrummen bildas på så specifika sätt, och att mer forskning kommer att krävas för att fastställa hur komplexiteten hos dessa flerdimensionella geometriska former som bildas av våra neuroner korrelerar med komplexiteten hos olika kognitiva uppgifter.


Men det här är långt ifrån det sista vi får höra om algebraisk topologis insikter i de mest gåtfulla av mänskliga organ - hjärnan.


Studien publicerades i Frontiers of Computational Neuroscience .

Inga kommentarer

Error Page Image

Error Page Image

Oooops.... Could not find it!!!

The page you were looking for, could not be found. You may have typed the address incorrectly or you may have used an outdated link.

Go to Homepage

Källtext