venerdì 16 giugno 2017

'Un universo multidimensionale' nelle reti neurali



Utilizzando la matematica in modo innovativo in neuroscienza, i ricercatori hanno dimostrato che il cervello opera in molte dimensioni, non solo le 3 cui siamo abituati.

L'immagine contenuta nell'articolo orginale tenta di illustrare qualcosa che non può essere immaginato: un universo di strutture e spazi multidimensionali. Sulla sinistra c'è una copia digitale di una parte della neocorteccia, la parte più evoluta del cervello. A destra sono rappresentate forme di diverse dimensioni e geometrie nel tentativo di rappresentare strutture che vanno da 1 dimensione a 7 dimensioni e oltre. Il "buco nero" al centro serve per simboleggiare un complesso di spazi multi-dimensionali o cavità. I ricercatori del Blue Brain Project, nel loro nuovo studio pubblicato in Frontiers in Computational Neuroscience, riferiscono che gruppi di neuroni vincolati in tali cavità forniscono il collegamento mancante tra struttura neurale e funzione.

Per la maggior parte delle persone è uno sforzo notevole di immaginazione cercare di comprendere il mondo in quattro dimensioni, ma un nuovo studio ha scoperto strutture nel cervello che hanno fino a undici dimensioni - un lavoro che sta cominciando a rivelare i più intimi segreti architettonici del cervello.

Utilizzando la topologia algebrica in un modo che non è mai stato usato prima nella neuroscienza, una squadra del Blue Brain Project ha scoperto un universo di strutture e spazi geometrici multidimensionali all'interno delle reti neurali.

La ricerca, pubblicata in Frontiers in Computational Neuroscience, mostra che queste strutture si presentano quando un certo numero di neuroni forma un gruppo: ogni neurone si connette ad ogni altro neurone nel gruppo in modo molto specifico che genera un oggetto geometrico ben preciso. Più neuroni ci sono in un gruppo, maggiore sono le dimensioni dell'oggetto geometrico.

"Abbiamo scoperto un mondo che non avevamo mai immaginato", dice il neuroscienziato Henry Markram, direttore del Blue Brain Project e professore all'EPFL di Losanna, in Svizzera, "ci sono decine di milioni di questi oggetti anche in un piccolo pezzo di cervello, che possiedono più di sette dimensioni. In alcune reti abbiamo trovato strutture che hanno fino a undici dimensioni".

Markram suggerisce che questo può spiegare perché è stato così difficile finora capire il cervello. "La matematica di solito applicata allo studio delle reti neurali non riesce a individuare le strutture e gli spazi pluri-dimensionali che ora vediamo chiaramente".

Se i mondi a 4 dimensioni mettono a dura prova la nostra immaginazione, i mondi con 5, 6 o più dimensioni sono troppo complessi per la maggior parte di noi da comprendere. Qui arriva la topologia algebrica: un ramo della matematica che può descrivere sistemi con un qualsiasi numero di dimensioni. I matematici che hanno portato la topologia algebrica nello studio delle reti cerebrali del progetto Blue Brain sono Kathryn Hess dell'EPFL e Ran Levi dell'Aberdeen University.

"La topologia algebrica è come un telescopio e un microscopio allo stesso tempo: può ingrandire le reti per trovare strutture nascoste, vedere gli alberi nella foresta, e vedere gli spazi vuoti, le radure, tutte allo stesso tempo" Spiega Hess.

Nel 2015 il Blue Brain pubblica la prima copia digitale di un pezzo di neocorteccia, la parte più evoluta del cervello e la sede delle nostre sensazioni, azioni e coscienza. In quest'ultima ricerca, utilizzando la topologia algebrica, sono stati eseguiti molti test sul tessuto cerebrale virtuale che dimostrano che le strutture cerebrali multidimensionali scoperte non possono  essersi prodotte per caso.

Gli esperimenti sono stati poi eseguiti su un vero e proprio tessuto cerebrale nel laboratorio del Blue Brain a Losanna, e hanno confermato che le prime scoperte fatte sul tessuto virtuale sono biologicamente rilevanti e suggeriscono che il cervello si ricrea costantemente durante lo sviluppo per costruire una rete con tante strutture con il maggior numero di dimensioni possibile.

Quando i ricercatori hanno stimolato il tessuto cerebrale virtuale, gruppi di dimensioni progressivamente più alte si sono creati momentaneamente per racchiudere i fori multi-dimensionali, ai quali i ricercatori si riferiscono come a cavità.

"L'apparizione di cavità multi-dimensionali quando il cervello sta elaborando informazioni significa che i neuroni della rete reagiscono agli stimoli in modo estremamente organizzato", dice Levi.

"È come se il cervello reagisse ad uno stimolo costruendo e poi distuggendo una torre di blocchi multidimensionali, partendo da aste (1 dimensione), creando poi piani (2 dimensioni), cubi (3 dimensioni) e poi geometrie più complesse con 4, 5, e più dimensioni. La progressione dell'attività attraverso il cervello assomiglia ad un castello multidimensionale che si materializza dalla sabbia e si disintegra".

La grande domanda che i ricercatori si stanno ponendo ora è se la complessità dei compiti che possiamo svolgere dipende dalla complessità dei "castelli di sabbia" multidimensionali che il nostro cervello può costruire. La neuroscienza sta' anche cercando di trovare il posto dove il cervello memorizza i suoi ricordi. "Potrebbero essere" nascosti "in cavità multi-dimensionali," ipotizza Markram. 

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