Los científicos encuentran evidencia de que el cerebro humano puede crear estructuras en hasta 11 dimensiones


En 2017, los neurocientíficos usaron una rama clásica de las matemáticas de una manera totalmente nueva para observar la estructura de nuestros cerebros.

Lo que descubrieron es que el cerebro está lleno de estructuras geométricas multidimensionales que operan en hasta 11 dimensiones.

Estamos acostumbrados a pensar en el mundo desde una perspectiva tridimensional, por lo que esto puede sonar un poco complicado, pero los resultados de este estudio podrían ser el próximo paso importante para comprender la estructura del cerebro humano: la estructura más compleja que tenemos saber de.

Este modelo cerebral fue producido por un equipo de investigadores de el proyecto del cerebro azul, una iniciativa de investigación suiza dedicada a construir una reconstrucción del cerebro humano impulsada por una supercomputadora.

El equipo usó topología algebraica, una rama de las matemáticas que se usa para describir las propiedades de los objetos y los espacios, independientemente de cómo cambien de forma.

Descubrieron que grupos de neuronas se conectan en "camarillas", y que el número de neuronas en una camarilla conduciría a su tamaño como un objeto geométrico de alta dimensión (un concepto matemático dimensional, no uno de espacio-tiempo).

"Encontramos un mundo que nunca habíamos imaginado" dicho investigador principal, el neurocientífico Henry Markram del instituto EPFL en Suiza, en ese momento.

"Hay decenas de millones de estos objetos incluso en una pequeña mota del cerebro, hasta siete dimensiones. En algunas redes, incluso encontramos estructuras con hasta 11 dimensiones".

Para ser claros, no es así como pensarías en las dimensiones espaciales (nuestro Universo tiene tres dimensiones espaciales más una dimensión de tiempo), sino que se refiere a cómo los investigadores han observado las camarillas de neuronas para determinar qué tan conectadas están.

"Las redes a menudo se analizan en términos de grupos de nodos que están conectados entre sí, conocidos como camarillas. El número de neuronas en una camarilla determina su tamaño, o más formalmente, su dimensión", señalaron los investigadores. explicado en el documento de 2017

.

Se estima que los cerebros humanos tienen la asombrosa cifra de 86 mil millones de neuronas, con múltiples conexiones de cada red celular en todas las direcciones posibles, formando la vasta red celular que de alguna manera nos hace capaz de pensamiento y conciencia.

Con una cantidad tan grande de conexiones para trabajar, no es de extrañar que todavía no tengamos una comprensión profunda de cómo funciona la red neuronal del cerebro.

Pero el marco matemático creado por el equipo nos lleva un paso más cerca de tener un día un modelo de cerebro digital.

Para realizar las pruebas matemáticas, el equipo utilizó un modelo detallado de neocorteza el equipo del Blue Brain Project publicó en 2015.

Se cree que la neocorteza es la parte evolucionada más recientemente de nuestros cerebros, y la que participa en algunas de nuestras funciones de orden superior, como la cognición y la percepción sensorial.

Después de desarrollar su marco matemático y probarlo en algunos estímulos virtuales, el equipo también confirmó sus resultados en tejido cerebral real en ratas.

Según los investigadores, la topología algebraica proporciona herramientas matemáticas para discernir detalles de la red neuronal tanto en una vista de primer plano a nivel de neuronas individuales como en una escala más amplia de la estructura del cerebro en su conjunto.

Al conectar estos dos niveles, los investigadores pudieron discernir estructuras geométricas de alta dimensión en el cerebro, formadas por colecciones de neuronas estrechamente conectadas (camarillas) y los espacios vacíos (cavidades) entre ellas.

"Encontramos una cantidad y variedad notablemente alta de camarillas y cavidades dirigidas de alta dimensión, que no se habían visto antes en redes neuronales, biológicas o artificiales". el equipo escribió en el estudio.

"La topología algebraica es como un telescopio y un microscopio al mismo tiempo", dijo uno del equipo, la matemática Kathryn Hess de EPFL.

"Puede acercarse a las redes para encontrar estructuras ocultas, los árboles en el bosque y ver los espacios vacíos, los claros, todo al mismo tiempo".

Esos claros o cavidades parecen ser críticamente importantes para la función cerebral. Cuando los investigadores le dieron un estímulo a su tejido cerebral virtual, vieron que las neuronas estaban reaccionando a él de una manera altamente organizada.

"Es como si el cerebro reaccionara a un estímulo construyendo (y) luego arrasando una torre de bloques multidimensionales, comenzando con varillas (1D), luego tablones (2D), luego cubos (3D) y luego geometrías más complejas con 4D, 5D, etc. " dijo uno del equipo, matemático Ran Levi de la Universidad de Aberdeen en Escocia.

"La progresión de la actividad a través del cerebro se asemeja a un castillo de arena multidimensional que se materializa en la arena y luego se desintegra".

Estos hallazgos proporcionan una nueva imagen tentadora de cómo el cerebro procesa la información, pero los investigadores señalan que aún no está claro qué hace que las camarillas y las cavidades se formen en sus formas altamente específicas.

Y se necesitará más trabajo para determinar cómo la complejidad de estas formas geométricas multidimensionales formadas por nuestras neuronas se correlaciona con la complejidad de varias tareas cognitivas.

Pero definitivamente esta no es la última que escucharemos sobre las percepciones que la topología algebraica nos puede dar sobre el más misterioso de los órganos humanos: el cerebro.

El estudio fue publicado en Fronteras de la neurociencia computacional.

Una versión de esta historia se publicó por primera vez en junio de 2017.

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