Egy 2017-es, az idegtudományt matematikával kombináló kutatás alapján az agy akár 11 dimenziójú idegi struktúrákat is képes létrehozni, amikor információkat dolgoz fel.

A „dimenziók” alatt absztrakt matematikai tereket kell érteni, nem pedig fizikai területeket, ám ennek ellenére a Henry Markram, a Blue Brain Project igazgatója úgy fogalmazott, hogy „olyan világot találtunk, amilyet soha nem is képzeltünk volna.”

A szóban forgó Blue Brain Project célja az egér agy biológiailag részletes digitális szimulációjának az elkészítése fejlett számítási technikák és matematikai eszközök felhasználásával. A kutatók egész pontosan azt vizsgálták, hogy az agy miként dolgozza fel az információkat, és hogy a sokdimenziós idegi struktúrák milyen szerepet játszanak ebben a folyamatban. Végső soron és konyhanyelven szólva, ahhoz jutottunk közeleb, hogy megértsük, hogy miként tanulunk meg dolgokat és formálunk emlékeket.

A tudósok szuperszámítógépeket és a matematika egy sajátos ágát vetették be, hogy világosabb képet kapjanak arról, hogy egy ilyen hatalmas hálózat, mint az emberi agy, hogyan alakítja ki gondolatainkat és tetteinket. A csapat a kutatását a neokortex digitális modelljére alapozta, amelyet 2015-ben fejeztek be – ez tehát az agy egyfajta szimulációja, amit egy szuperszámítógép futtatott.

A kutatók ezt a modellt az algebrai topológia matematikai rendszerével vizsgálták, és így derült ki, hogy ahol korábban csak “káoszt” találtak, ott valójában az agy folyamatosan nagyon bonyolult, többdimenziós geometriai formákat és tereket hoz létre, mintha csak “sokdimenziós homokvárakat” építene az információfeldolgozás folyamata során. Az algebrai topológia, a matematika tetszőleges számú dimenziójú rendszereket leíró ága nélkül ezen többdimenziós hálózat vizualizálása korábban lehetetlen volt.

Mindez azt jelenti tehát, hogy szó sincs kaotikus mintázatról, ehelyett az idegsejtek mintázatainak a szerveződése olyan bonyolult, hogy azt csak a legfejlettebb matematika és a legmodernebb számítógépek segítségével kezdtük egyáltalán megérteni.

Mint a tanulmány szerzője, Kathryn Hess fogalmazott:

“Az algebrai topológia olyan, mint egy távcső és egy mikroszkóp egyszerre. Képes ráközelíteni a hálózatokra, hogy a rejtett struktúrákat – az erdő fáit – egyszerre láthassa az üres terekkel – a tisztásokkal.”

A tudósok először az általuk létrehozott virtuális agyszöveten végeztek teszteket, majd megerősítették az eredményeket úgy, hogy ugyanazokat a kísérleteket végezték el egerekből származó valódi agyszöveten.

Amikor stimulálják, a virtuális neuronok egy klikket alkotnak, és minden neuron olyan módon kapcsolódik a másikhoz, hogy egy adott geometriai objektum alakuljon ki. A nagyszámú neuron további dimenziókat ad mindehhez, ami egyes esetekben akár 11 dimenziós struktúrákat is jelenthet. A struktúrák egy sokdimenziós lyuk köré szerveződnek, amelyet a kutatók „üregnek” neveztek – miután az agy feldolgozta az információt, mind a klikk, mind az üreg eltűnik.

Az egyik kutató a következő hasonlattal festette le ezt a folyamatot:

„A sokdimenziós üregek megjelenése, amikor az agy információt dolgoz fel, azt jelenti, hogy a hálózat neuronjai rendkívül szervezetten reagálnak az ingerekre. Mintha az agy egy ingerre úgy reagálna, hogy többdimenziós blokkokból tornyot épít, amit később lerombol (...).

A tevékenység az agyban egy többdimenziós homokvár építéséhez hasonlít, amely a folyamat végén szétesik.”

Titokzatos spirál-mintázatokat észleltek az emberi agyi jelekben Úgy tűnik, nem véletlenszerű mintákról van szó, és a felfedezés így alátámaszthat egy alternatív teóriát is a komplexebb agyi működéssel kapcsolatban.

A felfedezés azért volt jelentős, mert ezzel kezdtük megérteni az idegtudomány egyik alapvető titkát – az agy szerkezete és az információfeldolgozás közötti kapcsolatot.

2017 óta a projekt több jelentős előrelépést is tett:

2018-ban a Blue Brain Project kiadta első digitális 3D agysejt atlaszát. Ez az atlasz részletes információkat közölt a fő sejttípusokról, azok számáról és elhelyezkedéséről az agy 737 régiójában. Az előrelépést ahhoz hasonlították, mintha a kézzel rajzolt térképekről a Google Földre váltottunk volna.

2019-ben Idan Segev, a Blue Brain Projecten dolgozó számítógépes idegtudós az egyik előadása során megemlítette, hogy a projekt befejezte az egér agy kérgének a teljes szimulálását. Kiderült viszont, hogy kezdik elérni az általuk használt szuperszámítógépek határait, ezért olyan megoldást kezdtek el vizsgálni, amely segítségével az egyes neuronokat mesterséges neurális hálózatként ábrázolják, ami valószínűleg optimalizálja a számítási hatékonyságot.

2022-ben a Blue Brain Project tudósai bevezették a "Topológiai neuronális szintézis" nevű algoritmust. Ez az algoritmus az algebrai topológiát kihasználva nagyszámú egyedi neuronális sejtmorfológiát generál, csupán néhány referenciapélda felhasználásával. Ezzel az algoritmussal több millió egyedi idegi morfológiát tudtak szintetizálni, amelyek képesek voltak az agy egészséges és beteg állapotainak a modellezésére.

Az algoritmust arra használták, hogy digitálisan szintetizálják a dendrites morfológiákat az egér agyából, ami lehetővé tette a kutatók számára, hogy néhány referenciasejt alapján teljes agyi régiókat térképezzenek fel.

Mivel pedig ez az algoritmus nyílt forráskódú, ezért a teljes tudományos közösség felhasználhatta agyi betegségek modellezésére.

(Kép: Pixabay/sbtlneet)