Jsme zvyklí vnímat svět optikou tří prostorových rozměrů a jednoho rozměru času. Složitá architektura mozku však konvenční rámec dalece přesahuje. Neurovědci ze švýcarské výzkumné iniciativy Blue Brain Project, která se zaměřuje na vytvoření rekonstrukce lidského mozku na bázi superpočítače, použili algebraickou topologii inovativním způsobem, aby pronikli do struktury záhadného orgánu.

To, co odhalili, nebylo nic jiného než ohromující - mozek se hemží vícerozměrnými geometrickými strukturami, přičemž některé sítě vykazují až 11 rozměrů. Než se ponoříme do složitosti těchto rozměrů, je nezbytné objasnit, že se netýkají prostorových rozměrů, s nimiž se setkáváme v každodenním životě. Místo toho odrážejí jedinečný přístup vědců k pochopení propojení neuronů v mozku.

Zdroj: Youtube

Kliky neuronů

Pro lepší pochopení nově objevené dimenzionality se podívejme na koncept neuronových klik. V mozku se sítě často zkoumají z hlediska skupin uzlů, které se nazývají kliky a jsou vzájemně propojeny. Počet neuronů v každé klice určuje její velikost, konkrétně řečeno dimenzi. Kliky jsou vlastně základními stavebními kameny, které tvoří neuronovou síť v mozku.

Odhaduje se, že v lidském mozku je 86 miliard neuronů, z nichž každý vytváří četná spojení podobná pavučině, a složitost mozku je tedy ohromující. Složitá síť je základem naší schopnosti myslet a být při vědomí. Navzdory její rozsáhlosti však stále ještě zdaleka nerozumíme tomu, jak funguje.

Zkoumání mozku

Tým, který stojí za průlomovým objevem, se opíral o matematický rámec založený na detailním modelu neokortexu. Neokortex, jakožto jedna z nejnověji vyvinutých částí lidského mozku, hraje klíčovou roli v procesech vyššího řádu, jako je kognice a senzorické vnímání. Díky tomuto rámci měli vědci možnost zkoumat neuronovou síť mozku na dvou úrovních – na mikroskopické úrovni jednotlivých neuronů a na makroskopické úrovni struktury mozku jako celku.

Algebraická topologie

Algebraická topologie v kontextu této studie slouží jako dalekohled i mikroskop a poskytuje dvojí pohled na strukturu mozku. Přibližuje a odhaluje skryté struktury, podobně jako když objevujeme jednotlivé stromy v lese, a zároveň odhaluje mýtiny nebo dutiny mezi nimi. Ukázalo se, že právě dutiny jsou nedílnou součástí fungování mozku.

Když výzkumníci prováděli stimulaci své virtuální mozkové tkáně, pozorovali, jak neurony reagují vysoce organizovaným způsobem. Bylo to, jako by tyto buňky stavěly a následně rozkládaly složité, vícerozměrné struktury v rámci určité posloupnosti, podobně jako při tvorbě hradu z písku. Celý průběh aktivity v mozku tak připomínal jakýsi vícerozměrný písečný hrad, který vznikal a poté zase pomalu mizel. Obraz zcela věrně odrážel, jak mozek reaguje na vnější podněty.

Odhalování záhad mozku

Přestože objev poskytuje lákavý pohled do vnitřního fungování mozku, mnoho otázek zůstává nezodpovězeno. Konkrétní faktory, které řídí vznik vysokodimenzionálních geometrických struktur, a jejich vztah ke kognitivním úkolům vyžadují další zkoumání.

Nicméně aplikace algebraické topologie do neurovědy otevřela nové dveře k pochopení složitosti lidského mozku. Slibuje, že se stane transformativním nástrojem, který vrhne světlo na nejzáhadnější z lidských orgánů. Jak budeme pokračovat v pronikání hlouběji do záhad mozku, možná jednoho dne odhalíme tajemství našeho vlastního vědomí a poznání a navždy změníme naše chápání toho, co znamená být člověkem.

Zdroje: interestingengineering.com, cosmosmagazine.com, sciencealert.com