Duemila anni fa, gli antichi greci guardavano nel cielo notturno e videro forme geometriche emergere tra le stelle: un cacciatore, un leone, un vaso d'acqua. In un certo senso, hanno usato queste costellazioni per dare un significato alle stelle sparse in modo casuale nel tessuto dell'universo. Trasformando l'astronomia in forme, hanno trovato un modo per razionalizzare e dare significato a un sistema altamente complesso. Naturalmente, i greci si sbagliavano: la maggior parte delle stelle nella costellazione non hanno assolutamente nulla a che fare l'una con l'altra. Ma il loro approccio vive.
Questa settimana, il Blue Brain Project ha avuto un'idea entusiasmante che potrebbe spiegare le complessità del cervello umano. Utilizzando la topologia algebrica, un tipo di matematica che "proietta" connessioni complesse sotto forma di grafici, gli scienziati hanno mappato il percorso di funzioni complesse che derivano dalla struttura delle reti neurali.
Ed ecco cosa è importante: sebbene il nostro cervello occupi fisicamente un posto nel nostro mondo tridimensionale, le sue connessioni interne - matematicamente parlando - funzionano in uno spazio molto più multidimensionale. Umanamente parlando, assemblare e disassemblare le connessioni neurali è estremamente difficile, anche più del previsto. Ma ora abbiamo un linguaggio che li descrive.
"Abbiamo trovato un mondo che non ci saremmo mai aspettati di vedere", afferma il dottor Henry Markram, direttore del Blue Brain Project e professore all'EPFL di Losanna, in Svizzera, che guida lo studio.
Forse è per questo che il cervello era così difficile da capire, dice. "La matematica comunemente applicata alle reti di ricerca non è in grado di rilevare le strutture e gli spazi ad alta dimensione che ora vediamo chiaramente".
Un mondo ad alta dimensione
Quando pensiamo al cervello, vengono in mente i neuroni ramificati ei tessuti molli, oggetti piuttosto tridimensionali. Fisicamente parlando, non ci sono mini-cervelli in miniatura nascosti nel nostro, ei nostri neuroni non si muovono a un livello più alto dell'essere quando vengono attivati.
Al di fuori della fisica, la "dimensione" è solo un modo divertente di descrivere la complessità. Prendi un gruppo di tre neuroni che lavorano insieme (A, B e C), per esempio. Ora pensa a quanti modi per collegarli. Poiché l'informazione, di regola, viene trasmessa solo in un modo da un neurone al suo partner, A può essere associato solo a B o C. Topologicamente parlando, la dimensione qui è uguale a due.
Allo stesso modo, un gruppo di quattro neuroni ha una dimensione di tre e di cinque, quattro. Maggiore è il numero di neuroni in un gruppo, maggiore è la dimensione, quindi il sistema diventa costantemente più complesso.
“Nel nostro studio, la dimensione non descrive le dimensioni spaziali, ma piuttosto la dimensione topologica degli oggetti geometrici che descriviamo. Il simplex a 7 o 11 dimensioni sarà incorporato nello spazio fisico 3D , spiega l'autore dello studio Max Nolte, uno studente laureato dell'EPFL.
Connessioni multidimensionali Per iniziare a smontare l'organizzazione del cervello, gli scienziati hanno iniziato con blocchi funzionali chiamati simplices. Ogni simplex è un gruppo specifico di neuroni collegati tra loro in un ordine molto specifico.
Un neurone è molto importante e parla per primo, uno ascolta tutti i neuroni e l'altro ne ascolta alcuni e parla con quelli che non lo sono, dice Nolte. "Questa struttura speciale assicura che i neuroni in ascolto capiranno effettivamente i neuroni parlanti nel cervello, dove ci sono sempre milioni di neuroni che parlano contemporaneamente, come una folla in uno stadio".
Come prima, la dimensione descrive la complessità del simplex.
In sei diversi cervelli virtuali, ciascuno ricostruito dai dati sperimentali dei ratti, gli scienziati hanno cercato i segni di questi oggetti matematici astratti. Incredibilmente, i cervelli virtuali contenevano simplex estremamente complessi - fino alla settima dimensione - e circa 80 milioni di "gruppi" di neuroni più piccoli.
L'enorme numero di simplex nascosti nel cervello suggerisce che ogni neurone fa parte di una vasta gamma di gruppi funzionali, molto più di quanto si pensasse in precedenza, dice Nolte.
L'emergere di funzioni Se i simplex sono gli elementi costitutivi, come si uniscono per formare reti ancora più complesse?
Quando il team ha stimolato il loro cervello virtuale, i neuroni assemblati in reti complesse come i mattoncini LEGO hanno formato un castello. Ma questa connessione, ancora una volta, non sarà necessariamente fisica. I neuroni si collegano insieme come un grafico sociale e questi grafici formano una rete o un'altra struttura ad alta dimensione.
L'adattamento non era perfetto: c'erano dei “buchi” tra le strutture ad alta dimensione, luoghi dove non c'erano connessioni per formare una nuova rete.
Come i semplici, anche i fori hanno le loro dimensioni. In qualche modo, dice Nolte, "la dimensione del buco descrive quanto fossero vicini i semplici per ottenere una dimensione più alta", o quanto bene gli elementi costitutivi siano collegati tra loro.
L'emergere di buchi dimensionali sempre più elevati ci dice che i neuroni nella rete rispondono agli stimoli (stimoli) in un "modo estremamente organizzato", afferma il dottor Ran Levy dell'Università di Aberdeen, che ha anche lavorato a questo documento.
Quando osserviamo la risposta del cervello a uno stimolo nel tempo, vediamo che oggetti geometrici astratti si formano e poi cadono a pezzi man mano che vengono costruite reti funzionali, dice Levy.
In primo luogo, il cervello recluta reti neurali più semplici per costruire una "cornice" unidimensionale. Queste reti vengono poi collegate per formare "muri" bidimensionali con "buchi" in mezzo. Strutture e buchi successivi e di dimensioni sempre maggiori si formano fino a quando non raggiungono il picco di organizzazione, qualunque sia la connessione richiesta tra i neuroni.
Dopodiché, l'intera struttura crolla, liberando i semplici per i compiti successivi, come un castello di sabbia che si materializza e poi si disintegra.
"Non sappiamo cosa stia facendo il cervello per formare queste cavità", dice Levy. Ma ciò che è noto per certo è che i neuroni devono attivarsi in un "modo fantasticamente ordinato" affinché queste strutture arroganti appaiano.
“È chiaro che questa attività iper-organizzata non è solo una coincidenza. Questa potrebbe essere la chiave per capire cosa succede quando il cervello è attivo , afferma Levy.
Dialogo sincrono Gli scienziati hanno anche scoperto come i neuroni dello stesso gruppo o di gruppi diversi comunicano tra loro dopo uno stimolo. Tutto dipende dal fatto che si trovino in strutture ad alta dimensione e in gruppi. Immagina due neuroni "sconosciuti" che comunicano, dice Nolte. Probabilmente dicono molte cose non correlate perché non si conoscono.
Ora immagina che dopo lo stimolo formino reti ad alta dimensione. Simile a Twitter, questa rete consente a un neurone di ascoltarne un altro e possono persino ripetere dopo altri. Se entrambi seguono dozzine di altre persone, i loro tweet possono essere ancora più simili perché i pensieri sono guidati dalla folla.
"Utilizzando i simplex, non contiamo solo quante persone seguono in comune, ma come queste persone sono legate tra loro", afferma Nolte. Più i due neuroni sono interconnessi - più simplici entrano - più simili sono attivati in risposta a uno stimolo.
Questo mostra chiaramente l'importanza della struttura funzionale del cervello: la struttura determina il verificarsi di attività correlate, dice Levy.
Precedenti ricerche hanno dimostrato che la struttura fisica dei neuroni e delle sinapsi influenza il modello di attività; ora sappiamo che anche le loro connessioni nello "spazio ad alta dimensione" sono importanti qui.
Andando avanti, il team spera di capire come queste complesse reti astratte modellano il nostro pensiero e comportamento.
"È come cercare un dizionario che traduca una lingua completamente incomprensibile in un'altra lingua che conosciamo molto bene, anche se non comprendiamo appieno tutti i testi scritti in quella lingua", dice Levy.
È ora di decifrare queste storie, aggiunge lo scienziato.
ILYA KHEL
