В мозге человека обнаружили 11 измерений. Что это значит?

https://t.me/publicfree

Ученые описали процесс обработки информации мозгом. Это выглядит как строительство замка из песка

Двенадцатого июня в журнале Frontiers in Computational Neuroscience появилась статья, авторы которой заявляют, что сделали важный шаг к пониманию того, как работа нейронов в человеческом мозге – самой сложной структуре из известных нам – обуславливает функции этого органа. Команда ученых из Швейцарии, Франции и Великобритании, участвующая в проекте Blue Brain, утверждает, что наш мозг в процессе обработки информации формирует многомерные объекты из нейронов и связей между ними и эти объекты представляют собой «мир, который мы ранее не могли себе представить». Republic разбирается, что же сделали исследователи и какой интерес представляет эта работа.

Проект Blue Brain

Blue Brain – это проект, основанный Институтом изучения мозга и разума Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) в 2005 году. Цель инициативы – создать детальную цифровую версию мозга млекопитающих (сначала крысы, а в конечном итоге – человека), чтобы понять фундаментальные принципы его работы и найти, как можно использовать эти знания в медицине.

Измерить все свойства мозга ⁠на всех уровнях (в молекулах, клетках, отдельных областях коры и их ⁠совокупности), а также взаимодействие между ними ⁠может быть невозможно. Поэтому ученые с помощью биологических данных, результатов ⁠экспериментов и суперкомпьютера пытаются создать симуляцию, ⁠которая даст подробную ⁠«карту» мозга. Такая модель должна отвечать на разные стимулы так же, как настоящий мозг, чтобы ученые смогли увидеть, какие процессы и как в нем идут. В 2015 году команда Blue Brain представила первую цифровую версию фрагмента неокортекса – 31 тысяча крысиных нейронов отвечали на внешние стимулы волнами координированной электрической активности. Неокортекс – последняя появившаяся в ходе эволюции область коры головного мозга, отвечающая за высшие нервные функции – сенсорное восприятие, осознанное мышление, речь у людей.

Почему с мозгом так сложно

Согласно современным представлениям, в человеческом мозге содержится около 86 млрд нейронов – клеток, хранящих и передающих информацию. Они находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, формируя нейронную сеть, которая позволяет нам действовать, думать, осознавать себя, принимать решения и так далее.

Система, состоящая из такого огромного количества нейронов, слишком сложна, чтобы ее можно было детально исследовать современными методами. Из-за этого мы до сих пор не знаем, как функционирует не только человеческий мозг, но и мозг менее сложных млекопитающих. В Blue Brain рассчитывают, что приблизиться к пониманию происходящих в голове процессов поможет математическая модель.

Что произошло

Исследователи изучали нейронные связи с помощью метода алгебраической топологии – системы, которая описывает свойства объектов независимо от их меняющейся геометрической формы. «Это как телескоп и микроскоп одновременно, – поясняет математик Кэтрин Гесс, работавшая над проектом. – Можно подробно рассмотреть сети, чтобы найти скрытые структуры – как деревья в лесу – и в то же время видеть пустоты и прогалины». Применительно к мозгу это означает, что алгебраическая топология предоставляет инструментарий для изучения свойств как отдельных нейронов, так и структуры мозга в целом.

В описываемом эксперименте алгебраическую топологию использовали для исследования виртуальных тканей мозга, а затем перепроверяли результаты на настоящем крысином мозге, чтобы убедиться, что симуляция работает правильно. Ученые обнаружили, что когда мозгу предъявляют определенный стимул, то нейроны собираются в группы («клики»), которые выстраиваются в последовательности и образуют сложные геометрические объекты c пространством («полостью») внутри. Чем больше нейронов в «клике», тем сложнее эта группа устроена и тем больше измерений имеют получающиеся фигуры.

Оказалось, что в каждом отдельном участке мозга могут формироваться десятки миллионов фигур из нейронов, имеющих до семи измерений, а в некоторых структурах удалось обнаружить до 11 измерений. По словам участников проекта, ранее ученым не доводилось наблюдать ничего подобного ни в компьютерных, ни в биологических моделях.

Многомерные объекты в мозге возникают, когда ему нужно обработать информацию; после завершения этого процесса они распадаются. Согласно описанию ученых, нейроны реагируют на стимул очень организованно, создавая фигуры от простого к сложному. «Мозг будто строит, а затем разрушает башни из многомерных фрагментов, начиная с палочек (1D), затем плоскостей (2D), кубиков (3D) и далее все более сложных фигур с четырьмя, пятью и более измерениями, – говоритматематик Рэн Леви из Абердинского университета (Шотландия). – Активность в мозге напоминает многомерный замок из песка, который материализуется, а затем полностью рассыпается».

Что все это значит?

Вот тут ученые пока не уверены. Они увидели, что в функционирующем мозге клетки и сигналы между ними не ведут себя хаотично. В процессе обработки информации нейроны выстраивают «клики» и «полости», о существовании которых ранее не было известно. Фигура из двух связанных между собой нейронов выглядит как отрезок. Три – это треугольник, четыре – пирамидка. Чем больше нейронов и связей между ними, тем сложнее и многомернее получаются формы, и хотя наш мозг не может себе их представить, математики могут их описать.

По словам Кэтрин Гесс, находка команды из Blue Brain помогает объяснить, почему до сих пор науке было так сложно разобраться во взаимосвязи между структурой мозга и его функциями. Мы привыкли воспринимать мир в трех измерениях и обычно исследуем активность мозга с помощью соответствующих инструментов, которые позволяют увидеть лишь «тень» того, что действительно происходит, а не полную картину.

Теперь исследователям предстоит понять, зависит ли наша способность выполнять комплексные задачи от создания этих фигур внутри мозга и их сложности. Также пока остается неизвестным, что именно заставляет нейроны строиться таким замысловатым способом.

Насколько надежны результаты?

Ученые уже знают, что связи между нейронами влияют на то, как сигналы распространяются по нейронной сети. Также известно, что количество связей – еще не все, что важно. Не меньшую роль играет качество этих связей – то есть, грубо говоря, прочность и толщина канала. Ученые из Лозанны в своей модели не учитывали этот второй фактор, хотя надеются сделать это в будущем.

Как пишет Wired, не вовлеченные в проект Blue Brain ученые пока с осторожностью воспринимают открытие. Они отмечают, что работа написана чересчур специфическим языком, а ее заявления местами выглядят слишком громкими. Кроме того, у критиков есть вопросы к источнику публикации: журналы семейства Frontiers (всего их около пятидесяти) уже обвиняли в сомнительной редакционной политике. Кроме того, сооснователь журналов – нейробиолог Генри Маркрам – по совместительству является главой Blue Brain и ведущим автором обсуждаемого исследования. Согласно Гесс, такой конфликт интересов – вынужденная мера: в большинстве журналов по нейробиологии редакторы не разбираются в алгебраической топологии.

Вероятно, мы скоро узнаем, насколько достоверны результаты команды из Лозанны. Если все так, как заявляют участники проекта, находки действительно могут стать шагом к пониманию принципов работы мозга, которые, вероятно, невозможно изучить без цифровой симуляции. Если верить Маркраму, сложные нейронные конструкции в нашем мозге даже могут позволить лучше объяснить процесс формирования воспоминаний – ту сферу, о которой пока мы только строим гипотезы.

Ира Соломонова

Редактор раздела World Press

https://republic.ru/posts/83945