Az algebrai topológiát oly módon használva, ahogy azt még sosem tették az idegtudományban, a Blue Brain Project egyik csapata többdimenziós geometriai struktúrák egész univerzumát fedezte fel az agy hálózataiban.
A Frontiers in Computational Neuroscience című tudományos folyóiratban június 12-én közzétett kutatás azt mutatja, hogy ezek a struktúrák akkor alakulnak ki, amikor egy neuroncsoport egy társulást hoz létre: minden egyes neuron a csoport összes másik neuronjához kapcsolódik egy rendkívül specifikus módon, amely precíz geometriai objektumot hoz létre. Minél több idegsejt van egy csoportban, annál magasabb a geometriai objektum dimenziója. (1)
"Egy olyan világot találtunk, amire soha nem gondoltunk volna," - mondta Henry Markram ideggyógyász, a Blue Brain Project igazgatója és a svájci Lausanne-ban található EPFL egyetem professzora, "több tízmillió ilyen objektum található még az agy legapróbb darabjában is, egészen hét dimenzióig, de egyes hálózatokban akár tizenegy dimenziójú struktúrákat is találhatunk."
Markram szerint ez megmagyarázhatja, miért olyan nehéz megérteni az agyat. "A hálózatok tanulmányozására általánosan alkalmazott matematika nem képes felismerni azokat a magasabb dimenziós struktúrákat és tereket, amelyeket jelenleg világosan látunk."
Ha a 4 dimenziós világok meghaladják a képzeletünket, akkor az 5, 6 vagy több dimenzióval rendelkező világok túlságosan bonyolultak ahhoz, hogy a legtöbbünk megértse. Itt jön az algebrai topológia, a matematika azon ága, amely képes bármilyen méretű rendszert leírni. A matematikusok, akik behozták a algebrai topológiát az agyi hálózatok tanulmányozásába a Blue Brain Project keretében, az Kathryn Hess (EPFL) és Ran Levi (Aberdeen Egyetemen) volt.
"Az algebrai topológia olyan, mint egy teleszkóp és egy mikroszkóp egyidejűleg. Bele tud nagyítani a hálózatokba, hogy megtalálja a rejtett struktúrákat - az erdőkben lévő fákat - és az üres tereket - a tisztásokat - mindezt egyszerre," - magyarázta Hess.
2015-ben a Blue Brain nyilvánosságra hozta az agykéreg (neocortex) egy darabjának első digitális másolatát - az agy legfejlettebb részét, ahol az érzékelés, a cselekvés és a tudat található. Ebben a legutóbbi kutatásban az algebrai topológiát alkalmazva több tesztet végeztek a virtuális agyszöveten annak kimutatására, hogy a felfedezett többdimenziós agyi struktúrákat soha nem lehet véletlenül előállítani.
Ezt követően kísérleteket végeztek el valós agyszöveten a Blue Brain laborjában Lausanne-ban, amely megerősítette, hogy a virtuális szövet korábbi felfedezései biológiailag relevánsak, és azt is sugallja, hogy az agy folyamatosan újrahuzalozza magát a fejlődése során, hogy olyan hálózatot építsen fel, amely annyi magasabb dimenziós struktúrát tartalmaz, amennyit csak lehetséges.
Amikor a kutatók stimulálták a virtuális agyszövetet, fokozatosan magasabb dimenziójú csoportosulások alakultak ki, amelyek pillanatnyilag magasabb dimenziójú lyukakhoz kapcsolódtak, amelyeket a kutatók üregeknek neveznek.
"A magasabb dimenziójú üregek megjelenése, amikor az agy feldolgozza az információt azt jelenti, hogy a hálózat neuronjai rendkívül szervezetten reagálnak az ingerekre," - mondta Levi. "Olyan, mintha az agy egy ingerre reagálna, majd felhúzna és lerombolna egy többdimenziós blokkokból álló tornyot, kezdve rudakkal (1D), majd deszkákkal (2D), majd kockákkal (3D), majd összetettebb 4D-s és 5D-s stb. geometriákkal. Az agyban folyó tevékenység előrehaladása egy többdimenziós homokvárhoz hasonlít, amely homokból jön létre majd szétesik."
A kutatók számára most az a nagy kérdés, hogy az általunk elvégzendő feladatok bonyolultsága attól függ-e, hogy az agy milyen többdimenziós "homoktornyokat" képes kialakítani. Az idegtudomány azzal is küzd, hogy megtalálja, hogy az agy hol tárolja az emlékeket. "Lehet, hogy a magasabb dimenziójú üregekben 'rejtőznek'," - jegyzi meg Markram. (2)
(1) - http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fncom.2017.00048/full
(2) - https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-06/f-bbt060617.php