Neuroteadlased on meie aju struktuuri uurimiseks kasutanud klassikalist matemaatikat. Nad leidsid, et see on täis mitmemõõtmelisi geomeetrilisi kujundeid, mis töötavad 11 mõõtmes!
Šveitsi uurimisrühm Blue Brain on seadnud endale eesmärgi, mis pole mitte triviaalne ülesanne - täielikult rekonstrueerida inimese aju superarvuti abil. Selleks on teadlased loonud spetsiaalse mudeli, kasutades algebralist topoloogiat - matemaatika haru, mis kirjeldab objektide ja ruumide omadusi, sõltumata nende kuju muutumisest. Nad leidsid, et neuronite rühmad on ühendatud "klõpsudega" ja et klikkide neuronite arv sõltub selle suurusest mitmemõõtmelise geomeetrilise objektina (see on matemaatiline, mitte ruumi-aja mõõtmise kontseptsioon - see on oluline).
"Leidsime maailma, millest me pole kunagi unistanud," ütles juhtivteadur, neuroteadlane Henry Markram Šveitsi EPFL-i instituudist. “Isegi kõige väiksemas ajuosas on selliseid objekte kümneid miljoneid ja nende mõõde ulatub kuni seitsmeni. Mõnes võrgus leidsime isegi kuni 11 mõõtmega struktuure.”
Neile, kes aru ei saa, selgitame: me ei räägi ruumilistest mõõtmetest (näiteks tajume Universumit ainult kolmes ruumilises mõõtmes + ühes ajalises). Selle asemel märgivad teadlased, mil määral neuronid on üksteisega ühendatud. Ühendussõlmed on "klõpsud". Mida rohkem on, seda suurem on mõõde.
Neuroteadlaste sõnul koosneb meie aju 86 miljardist neuronist, mis on üksteisega tihedalt seotud. Need moodustavad tohutu mobiilsidevõrgu, mis annab meile mingil moel võime aktiivselt mõelda ja teadlikult tegutseda. Arvestades tohutu hulga ühendusi, mida see keeruline struktuur sisaldab, pole üllatav, et teadlastel pole endiselt selget arusaamist, kuidas see kõik töötab.
Šveitsi teadlaste väljatöötatud matemaatiline raamistik viib meid aga ühe sammu lähemale päevale, mil aju täielikult digitaliseeritakse.
Testide läbiviimiseks kasutas meeskond üksikasjalikku neokorteksimudelit, mille Sinise Aju projekt avaldas juba 2015. aastal. Neokorteks arvatakse olevat meie aju osa, mis osaleb mõne kõrgema järgu funktsioonis, näiteks tunnetuses ja sensoorses tajus.
Pärast matemaatilise struktuuri väljatöötamist ja selle katsetamist mõne virtuaalse stiimuli abil kinnitas meeskond ka oma tulemusi rottide päris ajukoes.
Reklaamvideo:
Teadlaste sõnul pakub algebraline topoloogia matemaatilisi vahendeid närvivõrgu üksikasjade äratundmiseks nii lähivõtete režiimis üksikute neuronite tasemel kui ka aju kui terviku struktuuri laiemal skaalal. Neid kahte taset ühendades suudavad teadlased eristada ajus mitmemõõtmelisi geomeetrilisi struktuure, mis moodustuvad omavahel tihedalt seotud neuronite (klõpsude) kogumitest ja nendevahelistest tühjadest ruumidest (õõnsustest).
"Leidsime üllatavalt palju klikke ja mitmesuguseid klõpse ning suuri õõnsusi, mida varem polnud närvivõrkudes leitud, ei bioloogilisi ega kunstlikke," kirjutas meeskond uues uuringus. "Algebraline topoloogia on nagu teleskoop ja mikroskoop korraga," selgitas üks meeskonna liikmetest, EPFL-i matemaatik Catherine Hess. “See aitab teil võrkudele lähemale jõuda, et leida varjatud struktuure ja samal ajal näha tühje kohti. See on nagu puude ja lageraiete otsimine ühest metsast,”rääkis ta.
Need lüngad ehk "õõnsused" näivad olevat aju toimimise jaoks kriitilised. Kui teadlased stimuleerisid virtuaalset ajukude, nägid nad, et neuronid reageerivad sellele väga organiseeritud viisil.
“See on justkui aju reageeriks stiimulile, ehitades ja hävitades mitmemõõtmeliste plokkide torni, alustades vardadest (1D), siis tahvlitest (2D), siis kuupidest (3D) ja seejärel keerukama geomeetriaga - 4D, 5D jne. jne,”selgitab Šotimaa Aberdeeni ülikooli matemaatik Ran Levy. "Aju kaudu toimuva tegevuse arendamine on nagu mitmemõõtmeline liivalinnus, mis realiseerub liivast välja ja seejärel laguneb."
Töö tulemused andsid maailmale vapustava ja värske pildi sellest, kuidas aju töötleb teavet. Teadlased märgivad siiski, et nad pole veel välja mõelnud põhjust, miks klikke ja õõnsused moodustuvad väga spetsiifilisel viisil. Vaja on veel rohkem tööd, et teha kindlaks, kuidas nende neuronite moodustatud mitmemõõtmeliste geomeetriliste kujundite keerukus on seotud erinevate kognitiivsete ülesannete keerukusega.
Vassili Makarov
