Víme, že vesmír má tři prostorové dimenze a jeden časový rozměr. Náš mozek má až 86 miliard neuronů (nervových buněk) s vícenásobným připojením ve všech možných směrech. Díky tomu se v něm vytvořila obrovská buněčná síť, která nám umožňuje mít mysl a vědomí.

Netušený svět

Vědci ze švýcarské skupiny Blue Brain Project a Laboratoře nervových mikroobvodů, kteří se věnují modelování syntetického mozku pomocí superpočítačů, použili algebraickou topologii – odvětví matematiky používané k popisu objektů a prostoru bez ohledu na proměnlivost jejich tvaru. Zjistili tak, že náš mozek je plný vícerozměrných geometrických struktur, které fungují až v jedenácti dimenzích.

Výsledek výzkumu působí komplikovaně, protože jsme zvyklí nahlížet na svět ve 3D. Může ale být dalším krokem k pochopení struktury lidského mozku – možná nejsložitější struktury, jakou lze vůbec zkoumat.

Vědci analyzovali sítě neuronů v rámci skupin uzlů, které jsou spolu propojeny – říká se jim kliky. Počet neuronů v kliku určuje jeho velikost nebo formálnější rozměr a tvoří vysokorozměrný geometrický objekt. Jde o matematický rozměrový koncept, nikoliv o koncept časoprostorový.

Kdy budeme rozumět vlastnímu mozku? | zdroj: Profimedia

"Objevili jsme svět, jaký jsme si nikdy nepředstavovali," řekl neurovědec a vedoucí výzkumník studie Henry Markram ze Švýcarského federálního technologického institutu. "I v malém bodě mozku existují desítky miliónů těchto objektů, v některých sítích jsme dokonce našli struktury s až 11 rozměry."

Když mozek staví věž

K matematickému testu použil tým Blue Brain Project podrobný model neocortexu –  mozkové kůry, která je zodpovědná za naše vyšší funkce – poznání a smyslové vnímání. Získané výsledky ověřil na skutečné mozkové tkáni potkana.

Algebraická topologie poskytuje matematické nástroje pro rozeznávání detailů neuronové sítě, a to jak v podrobném pohledu na úroveň jednotlivých neuronů, tak v širším měřítku struktury mozku jako celku.

Díky spojení těchto dvou úrovní dovedli vědci rozeznat vysokorozměrné geometrické struktury v mozku, které jsou tvořeny shluky těsně spojených neuronů (kliky) a prázdnými mezerami (dutiny), které se nacházejí mezi neuronovými shluky.

Vědci našli pozoruhodně vysoký počet vícerozměrných kliků a dutin, které zatím nebyly v neuronových sítích vidět.

Algebraická topologie je jako dalekohled a mikroskop zároveň,” vysvětlila členka týmu a matematička Kathryn Hessová ze Švýcarského federálního technologického institutu.

Nyní se vědci mohou přiblížit do sítí a jejich skrytých struktur jako kdyby se dívali na stromy v lese, a najednou spatřili prázdné prostory a mýtiny – všechno současně.

Dutiny se přitom zdají být kriticky důležité pro mozkové funkce.

Když vědci stimulovali mozkovou virtuální tkáň, zjistili, že neurony na tkáň reagují vysoce organizovaným způsobem. Činnost mozku popisují jako reakci na podněty tak, že mozek staví věž z vícerozměrných bloků a pak ji zbourá. Tato věž by se skládala z prutů (1D), prken (2D), kostek (3D) a ze složitější geometrie s 4D a 5D.

Průběh činnosti mozku tak připomíná vícerozměrný hrad z písku, který se zhmotňuje a pak se rozpadá.

Práce badatelů popisuje způsob práce mozku, který je vzrušující. Vědci ale říkají, že není jasné, jak se tyto kliky a dutiny v takto specifických způsobech vytvářejí. Bude potřeba více studií, než budeme schopni určit, jak složitost těchto vícerozměrných geometrických tvarů, které jsou vytvářeny našimi neurony, souvisí se složitostí různých kognitivních úkolů.

Studie byla publikována na Frontiers of Computational Neuroscience.