人类大脑存在神秘结构,能在“11维度”运行

神经科学家们以一种全新的方式使用了一个经典的数学分支来研究我们大脑的结构。他们发现大脑中充满了多维的几何结构,在多达11个维度上运行。

我们习惯于从三维的角度来思考世界,所以这听起来有点棘手,但是这项新研究的结果可能是理解人类大脑结构的下一个主要步骤--我们所知道的最复杂的结构。

这个最新的大脑模型是由瑞士蓝脑计划的研究人员组成的,蓝脑计划是研究建立一个超级计算机动力的人脑重建。

科学家使用代数拓扑学,它是一个数学分支用来描述物体和空间的性质,不管它们如何改变形状。他们发现神经元群连接成“团”,而团中的神经元数量会使其成为一个高维几何对象。

来自瑞士EPFL研究所的神经科学家亨利·马克姆(Henry Markram)说:“我们找到了一个我们从未想过的世界。即使是在大脑的一个小点上,也有多达数千万个这样的物体,通过七个维度。在一些网络中,我们甚至发现了多达11个维度的结构。

人脑估计有惊人的860亿个神经元,每一个细胞的各个方向都有多个连接,形成了一个巨大的细胞网络,以某种方式使我们有思想和意识。

有了如此大量的联系,无疑我们还没有深入了解大脑的神经网络如何运作。但是,由该团队建立的新的数学框架使我们有一天更接近有数字大脑模型的一天。

为了进行数学测试,该团队使用了2015年发布的蓝脑计划团队的大脑皮层的详细模型。

新皮质被认为是我们大脑中最新发展的部分,涉及我们的一些高级功能,如认知和感觉知觉。在开发数学框架并对某些虚拟刺激进行测试后,该小组还证实了他们对大鼠实际脑组织的结果。

根据研究人员介绍,代数拓扑提供数学工具,用于在单个神经元水平的特写视图中以及整个脑结构的更大尺度来辨别神经网络的细节。

通过连接这两个层次,研究人员可以辨别大脑中的高维几何结构,由紧密连接的神经元(团块)和它们之间的空白空间(空腔)组成。

研究团队在研究报告中写道:“我我们发现高维有向小团体和空洞的数量和种类非常多,这在之前的神经网络研究中没有被看到,无论是生物还是人造的。”

来自EPFL的团队之一的数学家凯瑟琳·赫斯(Kathryn Hess)说:“代数拓扑就像望远镜和显微镜一样。它可以放大网络,找到隐藏的结构,森林中的树木,看到空的空间,都在同一时间。”

那些空腔似乎对脑功能至关重要。当研究人员给虚拟脑组织刺激时,他们看到神经元以高度有组织的方式反应。

来自苏格兰阿伯丁大学的数学家Ran Levi说:“就像大脑对刺激做出反应,然后从杆(1D),然后是木板(2D),然后立方体(3D)开始,然后形成4D、5D等更复杂的几何图形。”

通过大脑进行的活动类似于一个多维的沙堡,由沙组成,然后瓦解了。这些发现为大脑如何处理信息提供了一个引人入胜的新形象,但研究人员指出,目前还不清楚什么使得这些团体和空洞以其高度具体的方式形成。

还需要更多的工作来确定由我们的神经元形成的这些多维几何形状的复杂性与各种认知任务的复杂性相关。

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