“Abbiamo trovato un mondo che non avevamo mai immaginato”

Fonte: Science Alert
Traduzione a cura della redazione di coscienza.org – Marisa Menna

Illustrazione concettuale delle reti del cervello e della topologia. Image by Blue Brain Project

Ecco l’ultima ricerca sulla mente ed è incredibile.
Lo studio trattato in questa relazione è stato pubblicato in Frontiers of Computational Neuroscience

I neuroscienziati hanno utilizzato un classico ramo della matematica in modo completamente nuovo per esplorare la struttura del nostro cervello. Quello che hanno scoperto è che il cervello è pieno di strutture geometriche multi-dimensionali che operano in ben 11 dimensioni.
Siamo abituati a pensare al mondo in una prospettiva tridimensionale, quindi questo può sembrare un po’ complicato, ma i risultati di questo nuovo studio potrebbero essere il prossimo grande passo nella comprensione del tessuto del cervello umano, la struttura più complessa che conosciamo.
Questo ultimo modello del cervello è stato prodotto da un team di ricercatori del Blue Brain Project, un progetto di ricerca svizzera dedicata alla ricostruzione digitale del cervello umano. (Le ricostruzioni e le simulazioni del super computer offrono un approccio radicalmente nuovo per comprendere la struttura e la funzione multilivello del cervello).

Il team ha utilizzato la topologia algebrica, una branca della matematica impiegata per studiare gli spazi topologici e le mappe fra essi. Gli esperti hanno scoperto che ogni neurone all’interno del nostro cervello è in grado di interconnettersi ad un vicino, in modo specifico per formare un oggetto con connessioni complesse. Più neuroni si uniscono, più dimensioni si formano e vengono aggiunte all’oggetto.

“Abbiamo trovato un mondo che non avevamo mai immaginato”, riferisce il neuroscienziato e direttore del progetto Blue Brain Henry Markram, dell’Istituto EPFL in Svizzera.
“Ci sono decine di milioni di questi oggetti anche in un piccolo speck del cervello, fino a sette dimensioni. In alcune reti abbiamo trovato anche strutture fino a 11 dimensioni”.

Per essere chiari, questo non è il modo di pensare alle dimensioni spaziali (il nostro Universo ha tre dimensioni spaziali più una dimensione temporale), si riferisce invece a come i ricercatori hanno esaminato i gruppi di neuroni e determinare la loro connettività.
“Le reti sono spesso analizzate in termini di gruppi di nodi che sono tutti collegati, conosciuti come cliques. Il numero di neuroni in un gruppo determina la sua dimensione”, spiegano i ricercatori nello studio.
I cervelli umani sono stimati a ospitare 86 miliardi di neuroni, con diversi collegamenti da ogni cella cellulare in ogni direzione possibile, formando una vasta rete vastissima che ci rende capaci di pensiero e di coscienza.

Con un numero enorme di connessioni su cui lavorare, non c’è da meravigliarsi di non avere ancora una comprensione approfondita di come funziona la rete neuronale del cervello. Il nuovo quadro matematico costruito dal team ci porta un passo più vicino ad avere un giorno un modello digitale del cervello.

Per eseguire le prove matematiche, il team ha utilizzato un modello dettagliato digitale di neurocorteccia che il team Blue Brain Project ha pubblicato nel 2015. La neocorteccia è considerata come la parte più recente del nostro cervello ed è quella coinvolta in alcune delle nostre funzioni più elevate, come la cognizione e la percezione sensoriale.
Dopo aver sviluppato il quadro matematico e testandolo con alcuni stimoli virtuali, il team ha anche confermato i risultati sul tessuto reale del cervello nei ratti.
Secondo i ricercatori, la topologia algebrica fornisce strumenti matematici per individuare i dettagli della rete neuronale sia in una vista ravvicinata a livello dei singoli neuroni, sia in larga scala della struttura del cervello nel suo complesso.

Collegando questi due livelli, i ricercatori hanno potuto discernere strutture geometriche alto-dimensionali nel cervello, formati da collezioni di neuroni strettamente collegati e gli spazi vuoti tra loro.
“Abbiamo trovato un numero straordinariamente elevato e la varietà di cricche e cavità alto-dimensionali diretti, che non era stato visto prima in reti neurali, sia biologici o artificiali,” scrive nello studio il team.
“La topologia algebrica è come un telescopio e un microscopio allo stesso tempo”, riferisce il matematico Kathryn Hess dell’EPFL. “E ‘possibile zoomare nelle reti per trovare strutture nascoste, gli alberi della foresta, e vedere gli spazi vuoti, le radure, tutti allo stesso tempo.”
Quelle chiare o cavità sembrano essere di grande importanza per la funzione del cervello. Quando i ricercatori hanno dato un tessuto cerebrale virtuale uno stimolo, hanno visto che i neuroni reagivano in modo molto organizzato.
“È come se il cervello reagisse ad uno stimolo costruendo e poi creando una torre di blocchi multidimensionali, a partire da barre (una dimensione), poi da tavole (2 dimensioni), poi cubi (3 dimensioni) e poi geometrie più complesse con 4D, 5D, ecc..”, riferisce il matematico Ran Levi della Aberdeen University in Scozia, appartenente al team.
“La progressione dell’attività attraverso il cervello assomiglia ad un castello multidimensionale che si materializza dalla sabbia e si disintegra”.
Questi risultati forniscono una nuova foto allettante di come il cervello elabora le informazioni, ma i ricercatori sottolineano che non è ancora chiaro ciò che rende le cricche e le cavità formano nei loro modi molto specifici.
E più lavoro sarà necessario per determinare come la complessità di queste forme geometriche multidimensionali formate dai nostri neuroni è correlato con la complessità dei vari compiti cognitivi.
Ma questo non è sicuramente l’ultima volta che sentiremo di intuizioni che topologia algebrica può dare a noi in questo più misterioso di organi umani, il cervello.

Lo studio è stato pubblicato in Frontiers of Computational Neuroscience

Nota della redazione: 

Molti sanno che viviamo in un continuum quadridimensionale (le ben note tre dimensioni spaziali – altezza, lunghezza, larghezza – più la misteriosa dimensione temporale), ma pochi, tra i non addetti ai lavori, sanno che la fisica moderna ammette l’esistenza di più dimensioni “nascoste”. Che queste dimensioni extra debbano esistere è ‘sicuro’, le dimensioni extra sono “necessarie” per unificare le varie interazioni conosciute; ma quante dimensioni? Non lo sappiamo. Alcuni parlano di Universi a 9,10,11,24 o addirittura 64 dimensioni.

Consigliamo vivamente la lettura dell’articolo Il problema delle dimensioni invisibili a cura di Mario Bruschi, Dipartimento di Fisica Università “La Sapienza” di Roma.