Wie viele Dimensionen gibt es in unserem Gehirn
Wie viele Dimensionen gibt es in unserem Gehirn
Anonim

Neurowissenschaftler haben klassische Mathematik verwendet, um die Struktur unseres Gehirns zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass es voller mehrdimensionaler geometrischer Formen ist, die in 11 Dimensionen arbeiten!

2019 hat die Schweizer Forschungsgruppe Blue Brain Erstaunliches geleistet – das menschliche Gehirn auf Basis eines Supercomputers komplett umgebaut. Dafür haben Wissenschaftler ein spezielles Modell mit algebraischer Topologie erstellt – einem Teilgebiet der Mathematik, das die Eigenschaften von Objekten und Räumen unabhängig von ihrer Formänderung beschreibt.

Gruppen von Neuronen sind in "Klicks" verbunden und die Anzahl der Neuronen in einer Clique hängt von ihrer Größe als mehrdimensionales geometrisches Objekt ab (wir sprechen von einem mathematischen, nicht von einem raumzeitlichen Messkonzept - das ist wichtig).

"Wir haben eine Welt gefunden, von der wir nie geträumt haben", sagte der leitende Forscher, der Neurowissenschaftler Henry Markram vom EPFL-Institut in der Schweiz. - Selbst im kleinsten Teil des Gehirns gibt es Dutzende von Millionen solcher Objekte, und ihre Dimensionen reichen bis zu sieben Dimensionen. In einigen Netzwerken haben wir sogar Strukturen mit bis zu 11 Dimensionen gefunden.“

Wir sprechen hier nicht über räumliche Dimensionen (Sie und ich zum Beispiel nehmen das Universum nur in drei räumlichen Dimensionen + einer zeitlichen Dimension wahr). Stattdessen notieren die Forscher den Grad, in dem Neuronen miteinander verbunden sind. Linkknoten sind "Klicks". Je mehr, desto höher die Dimension.

Laut Neurowissenschaftlern besteht unser Gehirn aus 86 Milliarden Neuronen, die eng miteinander verbunden sind. Sie bilden ein riesiges Mobilfunknetz, das uns irgendwie die Fähigkeit gibt, aktiv zu denken und bewusst zu handeln. Angesichts der enormen Menge an Verbindungen, die diese komplexe Struktur enthält, ist es nicht verwunderlich, dass Wissenschaftler immer noch nicht genau wissen, wie das alles funktioniert.

Der von Schweizer Wissenschaftlern entwickelte mathematische Rahmen bringt uns jedoch dem Tag, an dem das Gehirn vollständig digitalisiert wird, einen Schritt näher.

Um die Tests durchzuführen, verwendete das Team ein detailliertes Neocortex-Modell, das das Blue Brain Project bereits 2015 veröffentlicht hat. Es wird angenommen, dass der Neokortex der Teil unseres Gehirns ist, der an einigen der Funktionen höherer Ordnung wie Kognition und Sinneswahrnehmung beteiligt ist.

Nachdem das Team die mathematische Struktur entwickelt und an einigen virtuellen Stimuli getestet hatte, bestätigte das Team seine Ergebnisse auch an realem Hirngewebe von Ratten.

Laut den Forschern bietet die algebraische Topologie mathematische Werkzeuge, um die Details eines neuronalen Netzes sowohl im Nahmodus auf der Ebene einzelner Neuronen als auch im größeren Maßstab der Struktur des gesamten Gehirns zu erkennen. Durch die Verbindung dieser beiden Ebenen konnten die Forscher mehrdimensionale geometrische Strukturen im Gehirn unterscheiden, die aus Ansammlungen eng verwandter Neuronen (Klicks) und leeren Räumen (Kavitäten) dazwischen bestehen.

„Wir haben eine überraschend große Anzahl und Vielfalt von Klicks und großen Hohlräumen gefunden, die bisher in neuronalen Netzen, weder biologisch noch künstlich, zu finden waren. Die algebraische Topologie ist wie ein Teleskop und ein Mikroskop zugleich“, erklärt eines der Teammitglieder, die Mathematikerin Catherine Hess von der EPFL. - Es hilft Ihnen, Netzwerken näher zu kommen, um versteckte Strukturen zu finden und gleichzeitig leere Räume zu sehen. Es ist, als würde man in einem einzigen Wald nach Bäumen und Wiesen suchen.“

Diese Lücken oder "Hohlräume" scheinen für die Funktion des Gehirns entscheidend zu sein.Als die Forscher virtuelles Hirngewebe stimulierten, sahen sie, dass Neuronen auf hoch organisierte Weise darauf reagierten.

„Es ist, als ob das Gehirn auf den Reiz reagiert, indem es einen Turm aus mehrdimensionalen Blöcken baut und dann zerstört, beginnend mit Stäben (1D), dann Brettern (2D), dann Würfeln (3D) und dann komplexeren Geometrien - 4D, 5D usw.. - erklärt der Mathematiker Ran Levy von der University of Aberdeen in Schottland. „Die Entwicklung der Aktivität durch das Gehirn ist wie eine mehrdimensionale Sandburg, die sich aus dem Sand materialisiert und dann zerfällt.“

Die Ergebnisse der Arbeit gaben der Welt ein atemberaubendes und frisches Bild davon, wie das Gehirn Informationen verarbeitet. Die Forscher stellen jedoch fest, dass sie noch nicht herausgefunden haben, warum Cliquen und Hohlräume auf sehr spezifische Weise gebildet werden. Es wird weitere Arbeit erfordern, um zu bestimmen, wie die Komplexität dieser mehrdimensionalen geometrischen Formen, die von unseren Neuronen gebildet werden, mit der Komplexität verschiedener kognitiver Aufgaben zusammenhängt.

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