Il cervello umano può creare strutture fino a 11 dimensioni.
“Abbiamo trovato un mondo che non avevamo mai immaginato.”
L’anno scorso, alcuni neuroscienziati hanno utilizzato un ramo classico della matematica in un modo totalmente nuovo per osservare l’interno della struttura del nostro cervello.
Quello che hanno scoperto è che il cervello è pieno di strutture geometriche multidimensionali che operano in ben 11 dimensioni.
Siamo abituati a pensare al mondo da una prospettiva tridimensionale, quindi potrebbe sembrare un po’ complicato, ma i risultati di questo studio potrebbero essere il prossimo passo importante nella comprensione del tessuto del cervello umano – la struttura più complessa che noi conosciamo.
Questo modello cerebrale è stato prodotto da un team di ricercatori del progetto Blue Brain, un’iniziativa di ricerca svizzera dedicata alla costruzione di un super-computer che utilizza le capacita’ del cervello umano.
Il team ha utilizzato la topologia algebrica, una branca della matematica, utilizzata per descrivere le proprietà di oggetti e spazio indipendentemente da come essi cambino forma.
Hanno scoperto che gruppi di neuroni si collegano a dei “cliques” e che il numero di neuroni in un clique porterebbe al raggiungimento delle sue dimensioni come un oggetto geometrico ad alta dimensione (un concetto matematico dimensionale, non uno legato allo spazio-tempo).
“Abbiamo trovato un mondo che non avevamo mai immaginato”, ha detto il ricercatore capo, neuroscienziato Henry Markram dell’istituto EPFL in Svizzera.
“Ci sono decine di milioni di questi oggetti, anche in una piccola parte del cervello e in piu’ di sette dimensioni: in alcune reti abbiamo persino trovato strutture fino a 11 dimensioni”.
Giusto per essere chiari – questo non è il modo in cui pensereste delle dimensioni spaziali (il nostro Universo ha tre dimensioni spaziali più una dimensione temporale), invece si riferisce a come i ricercatori hanno osservato i cliques dei neuroni per determinare come essi siano connessi.
“Le reti sono spesso analizzate in termini di gruppi di nodi noti come clique che sono tutti collegati tra loro: il numero di neuroni in una clique determina le sue dimensioni, o più formalmente, la sua dimensione”, hanno spiegato i ricercatori nel documento.
Si stima che il cervello umano abbia uno strabiliante 86 miliardi di neuroni, con connessioni multiple da ogni cellula cellulare in ogni direzione possibile, formando una vasta rete cellulare che in qualche modo ci rende capaci di pensiero e coscienza.
Con un così grande numero di connessioni con cui lavorare, non c’è da meravigliarsi se non abbiamo ancora una conoscenza approfondita di come funziona la rete neuronale del cervello.
Ma il quadro matematico costruito dal team ci porta un passo avanti in cui un giorno potremmo avere un modello di cervello digitale.
Per eseguire i test matematici, il team ha utilizzato un modello dettagliato della neocorteccia facente parte del progetto del team Blue Brain pubblicato nel 2015.
Si pensa che la neocorteccia sia la parte del nostro cervello più evoluta e quella coinvolta in alcune delle nostre funzioni di ordine superiore come la cognizione e la percezione sensoriale.
Dopo aver sviluppato il loro quadro matematico e testato su alcuni stimoli virtuali, il team ha anche confermato i risultati eseguendo dei test sul tessuto cerebrale reale nei ratti.
Secondo i ricercatori, la topologia algebrica fornisce strumenti matematici per discernere i dettagli della rete neurale sia dal punto di vista piu’ ravvicinato a livello dei singoli neuroni, sia in una scala più ampia della struttura cerebrale nel suo insieme.
Collegando questi due livelli, i ricercatori hanno potuto discernere le strutture geometriche ad alta dimensionalità nel cervello, formate da collezioni di neuroni strettamente collegati (clique) e spazi vuoti (cavità) tra di loro.
“Abbiamo trovato un numero e una varietà notevolmente elevata di cliques e cavità dirette ad alta dimensione, che non erano mai state viste prima nelle reti neurali, sia biologiche che artificiali”, ha scritto il team nello studio effettuato.
“La topologia algebrica è come un telescopio e un microscopio allo stesso tempo”, ha detto un componente del team, la matematica Dr. Kathryn Hess dell’EPFL.
“E’ possibile ingrandire le reti neuronali e trovare strutture nascoste, come alberi nella foresta e vedere gli spazi vuoti, come le radure, tutto allo stesso tempo.”
Quelle radure o cavità sembrano essere di fondamentale importanza per la funzione cerebrale. Quando i ricercatori hanno dato al tessuto cerebrale virtuale uno stimolo, hanno visto che i neuroni reagivano ad esso in modo altamente organizzato.
“È come se il cervello reagisse a uno stimolo costruendo [e] poi demolendo al suolo una torre di blocchi multidimensionali, iniziando con barre (1D), poi tavole (2D), poi cubi (3D) e quindi geometrie più complesse con 4D, 5D, ecc. “, ha detto uno dei membri del team, il matematico Dr. Ran Levi della Aberdeen University in Scozia.
“La progressione dell’attività attraverso il cervello assomiglia ad un castello di sabbia multidimensionale che si materializza dalla sabbia e poi si disintegra.”
Questi risultati forniscono una nuova allettante immagine di come il cervello elabora le informazioni, ma i ricercatori sottolineano che non è ancora chiaro cosa renda le cliques e le cavità formate in modi cosi’ altamente specifici.
E sarà necessario più lavoro per determinare in che modo la complessità di queste forme geometriche multidimensionali formate dai nostri neuroni si correla con la complessità dei vari aspetti cognitivi.
Ma questa non è sicuramente l’ultima delle intuizioni che la topologia algebrica può darci su quello che e’ il più misterioso degli organi umani: il cervello.
Lo studio è stato pubblicato su Frontiers of Computational Neuroscience.
Una versione di questa storia è stata pubblicata per la prima volta a giugno 2017.