人類大腦存在神秘結構,能在“11維度”運行

神經科學家們以一種全新的方式使用了一個經典的數學分支來研究我們大腦的結構。他們發現大腦中充滿了多維的幾何結構,在多達11個維度上運行。

我們習慣於從三維的角度來思考世界,所以這聽起來有點棘手,但是這項新研究的結果可能是理解人類大腦結構的下一個主要步驟–我們所知道的最複雜的結構。

這個最新的大腦模型是由瑞士藍腦計劃的研究人員組成的,藍腦計劃是研究建立一個超級計算機動力的人腦重建。

科學家使用代數拓撲學,它是一個數學分支用來描述物體和空間的性質,不管它們如何改變形狀。他們發現神經元群連接成“團”,而團中的神經元數量會使其成為一個高維幾何對象。

來自瑞士EPFL研究所的神經科學家亨利·馬克姆(Henry Markram)說:“我們找到了一個我們從未想過的世界。即使是在大腦的一個小點上,也有多達數千萬個這樣的物體,通過七個維度。在一些網絡中,我們甚至發現了多達11個維度的結構。

人腦估計有驚人的860億個神經元,每一個細胞的各個方向都有多個連接,形成了一個巨大的細胞網絡,以某種方式使我們有思想和意識。

有瞭如此大量的聯繫,無疑我們還沒有深入了解大腦的神經網絡如何運作。但是,由該團隊建立的新的數學框架使我們有一天更接近有數字大腦模型的一天。

為了進行數學測試,該團隊使用了2015年發布的藍腦計劃團隊的大腦皮層的詳細模型。

新皮質被認為是我們大腦中最新發展的部分,涉及我們的一些高級功能,如認知和感覺知覺。在開發數學框架並對某些虛擬刺激進行測試後,該小組還證實了他們對大鼠實際腦組織的結果。

根據研究人員介紹,代數拓撲提供數學工具,用於在單個神經元水平的特寫視圖中以及整個腦結構的更大尺度來辨別神經網絡的細節。

通過連接這兩個層次,研究人員可以辨別大腦中的高維幾何結構,由緊密連接的神經元(團塊)和它們之間的空白空間(空腔)組成。

研究團隊在研究報告中寫道:“我我們發現高維有向小團體和空洞的數量和種類非常多,這在之前的神經網絡研究中沒有被看到,無論是生物還是人造的。”

來自EPFL的團隊之一的數學家凱瑟琳·赫斯(Kathryn Hess)說:“代數拓撲就像望遠鏡和顯微鏡一樣。它可以放大網絡,找到隱藏的結構,森林中的樹木,看到空的空間,都在同一時間。”

那些空腔似乎對腦功能至關重要。當研究人員給虛擬腦組織刺激時,他們看到神經元以高度有組織的方式反應。

來自蘇格蘭阿伯丁大學的數學家Ran Levi說:“就像大腦對刺激做出反應,然後從桿(1D),然後是木板(2D),然後立方體(3D)開始,然後形成4D、5D等更複雜的幾何圖形。”

通過大腦進行的活動類似於一個多維的沙堡,由沙組成,然後瓦解了。這些發現為大腦如何處理信息提供了一個引人入勝的新形象,但研究人員指出,目前還不清楚什麼使得這些團體和空洞以其高度具體的方式形成。

還需要更多的工作來確定由我們的神經元形成的這些多維幾何形狀的複雜性與各種認知任務的複雜性相關。

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