Дослідники з IBM і Швейцарського федерального технічного інституту Лозанни вже більше 10 років працюють над моделюванням головного мозку людини. У 2015 році їм вдалося змоделювати одну невелику ділянку соматосенсорної кори об'ємом всього 0,3 мм ³. Така ділянка називається колонкою: нейрони в ній більшою мірою пов'язані один з одним, ніж із зовнішніми нейронами. Щоб створити модель однієї крихітної колонки, вченим довелося записати активність 14 тисяч нейронів і описати 8 мільйонів нейронних зв'язків. Це дуже багато, і обчислювальної потужності суперкомп'ютера Blue Gene ледь вистачило на симуляцію кожного синаптичного зв'язку; у всьому ж людському мозку таких зв'язків 10 11 – 10 13.
На цей раз вчені скористалися результатами дворічної давності і новими моделями, щоб описати геометрію однієї колонки і її окремих фрагментів. Результати роботи, опубліковані в журналі Frontiers in Computational Neuroscience, нагадують цитату з фантастичного фільму: вчені виявили в мозку структури, існуючі в чотирьох, п'яти, а іноді і 11 вимірах.
Зрозуміло, побачити такі структури людським оком не дано; їх вирахували за допомогою методів алгебраїчної топології – розділу математики, рівняння якого дозволяють описувати простори і об'єкти, існуючі в скількох завгодно вимірах.
Як стверджується в статті, багатовимірні структури виникають, коли нейрони зв'язуються один з одним особливим чином; порядок зв'язків задає геометрію об'єкта. Чим більше зв'язків, тим вона складніше.
"Таких (багатовимірних) об'єктів в крихітному шматочку мозку – десятки мільйонів", – пояснює нейробіолог Генрі Маркам, учасник проекту Blue Brain Project. Вчений вважає, що відкриття багатовимірних структур пояснює те, як складно було вивчати і моделювати мозок: "Ми користувалися математичним апаратом, який не розрахований на маніпуляції з настільки багатовимірними об'єктами. Зараз ми можемо з ними працювати". Опис багатовимірних нейронних структур став можливим завдяки двом фахівцям з топології – Кетрін Гесс (Kathryn Hess) з Лозанни і Рана Леві (Ran Levi) з університету Абердіна.
Вченим вдалося описати участь багатовимірних структур в роботі мозку. Коли мозок отримує сигнал-стимул, він вибудовує послідовності з об'єктів зростаючої складності: паличок (1D), площин (2D), кубиків (3D) і більш складних і багатовимірних об'єктів, що разом формують хитромудрі структури, які розсипаються так само швидко, як зводяться. Все ці процеси вкрай впорядковані.
Тепер вчені мають відповісти на нові питання про те, як працюють такі конструкції: чи залежить складність конструкції від складності завдання і чи беруть участь такі нейронні споруди в зберіганні пам'яті.
Головні теми