سال گذشته دانشمندان علوم اعصاب با بهره‌گیری از یک رشته کلاسیک در ریاضیات، روشی کاملا جدید برای بررسی ساختار مغز انسان پیدا کردند. گفته می‌شود که مغز ما می‌تواند ساختارهایی 11 بعدی بسازد.
اما یافته‌های آنها چه بود؟ آنها پی بردند که مغز انسان مملو از ساختار‌های هندسی چند بعدی است. ساختارهایی غیرقابل تصور تا 11 بُعد!
ما عادت کرده‌ایم که جهان را از منظری سه بعدی مشاهده کنیم، بنابراین تصور این موضوع اندکی دشوار است، اما نتایج این مطالعه می‌تواند یک گام بزرگ در مسیر فهم بنیان مغز انسان باشد؛ پیچیده‌ترین ساختاری که تاکنون با آن مواجه شده‌ایم.
این مدل از مغز انسان توسط تیمی از محققان در پروژه مغز آبی (Blue Brain Project) انجام شده است. این یک طرح تحقیقاتی در سوئیس است که به ساخت یک بازسازی از ذهن انسان توسط یک ابرکامپیوتر اختصاص داده شده است.
بیشتر بخوانید: کامپیوتر کوانتومی چیست و پردازش کوانتومی چگونه است؟
تیم تحقیقاتی از توپولوژی جبری استفاده کردند. شاخه‌ای از ریاضیات که بدون در نظر گرفتن نحوه تغییر شکل اجسام و فضاها به توصیف جزئیات آنها می‌پردازد. آنها دریافتند که گروهی از نورون‌های عصبی به یکدیگر متصل می‌شوند و کلیک (clique) عصبی را می‌سازند. تعداد این نورون‌ها در یک کلیک عصبی است که اندازه یک جسم هندسی چند بعدی (یک مفهوم ریاضیاتی بعد) را تعیین می‌کنند.
هنری مارکرام (Henry Markram)، دانشمند علوم اعصاب و محقق ارشد این پروژه از موسسه EPFL از اتریش، می‌گوید:
ما جهانی را یافته‌ایم که هرگز تصورش را نمی‌کردیم. حتی در یک نقطه کوچک از مغز ما ده‌ها میلیون عدد از این اجسام وجود دارد که بیش از 7 بعد دارد. حتی در بعضی شبکه‌ها، ما ساختارهایی را با 11 بعد یافته‌ایم.
این یافته با آنچه ما در مورد ابعاد فضایی می‌دانیم متفاوت است (در کائنات براساس نظریه نسبیت عام انیشتین، ما سه بعد فضایی به اضافه یک بعد زمان داریم) و به چگونگی مشاهده کلیک‌های عصبی توسط دانشمندان برای تعیین چگونگی اتصال سلول‌های عصبی به یکدیگر اشاره دارد.
در مقاله این تحقیق (لینک) محققان توضیح می‌دهند :
کلیک‌های عصبی دسته‌هایی از گره‌های عصبی هستند که تماما به یکدیگر متصل شده‌اند. تعداد نورون‌های موجود در یک کلیک، اندازه یا به عبارت رسمی‌تر ابعاد آن را مشخص می‌کنند.
تخمین زده می‌شود که مغز انسان‌ها تعداد گیج‌کننده 86 میلیون نورون به همراه شبکه‌ای از اتصالات سلولی در تمامی جهات ممکن را داراست که شبکه سلولی وسیعی را شکل می‌دهد. شبکه‌ای که به نحوی تفکر و آگاهی را در وجود ما منجر می‌شود.
بیشتر بخوانید: چگونه این مرد بدون ۹۰ درصد از مغز خود زندگی نرمالی دارد؟!
اصلا عجیب نیست که تاکنون نمی‌دانیم که شبکه عصبی مغز انسان چگونه فعالیت می‌کند، چرا که با تعداد بسیار زیادی از اتصالات میان نورون‌ها کار می‌کند. اما چارچوب ریاضیاتی تعریف شده توسط تیم مطالعاتی، یک قدم دیگر ما را به روزی که بتوانیم یک مدل دیجیتالی از مغز داشته باشیم، نزدیک کرد.
برای اجرای تست‌های ریاضی، تیم مطالعاتی از مدل دقیق تئوکورتکسی استفاده کردند که در سال ۲۰۱۵ توسط محققان پروژه مغز آبی مورد استفاده قرار گرفته بود.
به نظر می‌رسد که نئوکورتس تازه‌ترین بخش تکامل یافته مغز ماست و در بعضی عملکرد‌های پیچیده‌تر نظیر شناخت و ادراک حسی نقش دارد. تیم مطالعاتی پس از آنکه چارچوب ریاضیاتی خود را توسعه و آن را بر روی برخی محرک‌های مجازی آزمایش کردند، نتایج بدست آمده خود را با آزمایش بر روی بافت مغز واقعی موش‌ها به تایید رساندند.
به گفته محققان، توپولوژی جبری ابزار‌هایی ریاضیاتی مهیا می‌کند که می‌توان به واسطه آنها جزئیات شبکههای عصبی را هم در نماهایی نزدیک در سطح نورون‌ها و هم در مقیاس‌های بزرگتر ساختار مغر به طور کلی، تشخیص داد.
با متصل کردن این دو سطح، محققان توانستند ساختارهایی هندسی و در ابعاد بالا را در مغز تشخیص دهند. این ساختارها از مجموعه‌ای مستحکم از نورون‌های به هم متصل (کلیک) و فضاهای خالی میان آنها تشکیل شده است.
در مقاله این پژوهش نوشته شده است:
ما تعداد بسیار زیاد و متنوعی از کلیک‌ها و فضاهای خالی میان آنها را در ابعاد بزرگ و به صورت جهت‌یافته مشاهده کردیم. مواردی که تا پیش از این در شبکههای عصبی، نه در سیستم‌های زیستی و نه بصورت مصنوعی، مشاهده نشده بود.
یکی از محققان تصوری جالب از مفهوم توپولوژی جبری ارائه می‌دهد:
توپولوژی جبری استفاده همزمان از میکروسکوپ و تلسکوپ است. می تواند زوم کند و ساختار‌های نهان را درون شبکه‌ها، مانند درختان را در جنگل، و نیز فضای خالی میان این ساختارها (مانند زمین‌های بین جنگلی) را مشاهده کند.
به نظر می‌رسد این فضاهای خالی به طرزی بحرانی برای مغز اهمیت دارند. هنگامی که محققان به بافت مغزی مجازی خود تحریک وارد کرند، متوجه شدند که آن نورون‌ها به روشی بسیار سازمان یافته واکنش نشان می دهند.
ران لوی (Ran Levi)، ریاضیدان این پروژه از دانشگاه آبردین در اسکاتلند، می‌گوید:
موضوع اینگونه است که انگار مغز در واکنش به این محرک‌ها یک برج از بلوک‌های چندبعدی را می‌سازد و خراب می‌کند؛ در ابتدا میله (ساختار یک بعدی) می‌سازد، سپس صفحه (ساختار دو بعدی) و همینطور در ادامه ساختار‌های هندسی پیچیده‌تر چهار و پنج بعدی و بیشتر.
پیشبرد این فعالیت در مغز شبیه به آن است که یک قصر شنی چند بعدی را با استفاده از شن بسازیم و بعد از بین ببریم.”
این یافته‌ها، که در ژورنال Frontiers of Computational Neuroscience به چاپ رسیده است، تصویری جدید هیجان انگیزی از چگونگی پردازش اطلاعات در مغز انسان در اختیار ما می‌گذارد. با این حال محققان خاطر نشان می‌کنند که هنوز مشخص نیست که چه چیزی کلیک‌ها و فضاهای خالی میان آنها را با چنین روش ویژه‌ای شکل می‌دهد.
فعالیت‌های بیشتری نیاز است تا مشخص شود پیچیدگی این اشکال هندسی چند بعدی که توسط مغز انسان تشکیل می‌شوند چگونه با پیچیدگی فعالیت‌های شناختی متنوع مرتبط می‌شود. اما پیداست که این تحقیق آخرین یافته‌ای نیست که توپولوژی جبری می‌تواند در مورد مرموزترین اندام بدن انسان برای ما به ارمغان آورد.
بیشتر بخوانید :
- نوام چامسکی: پروژه رابط مغز و کامپیوتر ایلان ماسک عملی نیست
- زندگی طولانی مدت در فضا بر مغز فضانوردان چه تاثیری دارد؟
- افزایش عملکرد حافظه و یادگیری با تحریک الکتریکی مغز
.
منبع : ScienceAlert
