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09-06 09:53 ? 時間回到2017年，那時神經(jīng)科學(xué)家使用數(shù)學(xué)的一個經(jīng)典分支用新的方式探索了人腦的結(jié)構(gòu)。 他們發(fā)現(xiàn)我們的人腦充滿著多維度的幾何結(jié)構(gòu)，這些幾何結(jié)構(gòu)在多達11個維度中運行。 此前，我們認為世界是三維的，所以這個發(fā)現(xiàn)聽起來有一點玩笑的意味，但這一研究的結(jié)果成為了理解人腦這一我們目前所知的最復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)造的重要一步。 藍腦（Blue Brain）是一家來自瑞士的研究機構(gòu)，其主要貢獻是建立一個由超級計算機驅(qū)動的人腦模型。 該團隊使用了一個名為代數(shù)拓撲的數(shù)學(xué)分支，這一分支主要是用來描述物質(zhì)的屬性和空間，并且無論物體的形狀發(fā)生什么變化，描述都會保持客觀，不受影響。 研究人員發(fā)現(xiàn)一組神經(jīng)元會和不同的“派系”發(fā)生聯(lián)系，而屬于同一“派系”的神經(jīng)元會決定 “派系”的大小，并且把“派系”變成高維度的幾何構(gòu)造，這里的“維度”是一個數(shù)學(xué)概念，而不是時空概念。 瑞士EPFL 研究所主要研究人員，神經(jīng)科學(xué)家Henry Markram表示：“我們發(fā)現(xiàn)了一個自己從未想象過的世界?！?/div> “即使只探索我們大腦的一小部分，我們都能找到數(shù)以千萬計的高維度構(gòu)造，它們是七維的，而且在有些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，我們甚至找到了十一維的結(jié)構(gòu)。” 需要聲明的是，這里所指的維度并不是大眾所認為的空間維度，我們的宇宙在空間上而言是三維的，此外還有一個時間維度。這里所指的維度表示的是研究人員看待神經(jīng)元派系的方式，而這種方式又決定了神經(jīng)元之間的聯(lián)系到底有多緊密。 在2017年發(fā)表的一篇文章中，研究人員解釋道：“神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)通?；谕耆噙B的神經(jīng)節(jié)點群組進行分析，這種完全相連的神經(jīng)節(jié)點群組就是派系。一個派系中神經(jīng)元的數(shù)量決定了派系的大小，或者，更正式地說，神經(jīng)元的數(shù)量就決定了派系的維度?！?/div> 根據(jù)估算，人腦中的神經(jīng)元數(shù)量達到了驚人的860億個， 并且每個細胞都會形成連接網(wǎng)絡(luò)，與每一個可能的方向發(fā)生連接。這么做形成的巨大細胞網(wǎng)絡(luò)讓我們有了思考能力和對事物的覺察。 大腦中發(fā)生的連接與合作是如此地數(shù)量龐大，這也難怪我們至今還沒有徹底探明人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何運行的。 但是研究團隊構(gòu)建的數(shù)學(xué)框架讓我們向某一日研發(fā)出數(shù)字人腦模型的目標(biāo)又靠近了一步。 為了進行數(shù)學(xué)測試，研究部團隊使用了由藍腦團隊在2015年發(fā)布的新大腦皮質(zhì)的細節(jié)模型。 新大腦皮質(zhì)被看作是人腦最新進化出來的部分，管控著認知和感官知覺等人類的高級功能。 在研發(fā)了新大腦皮層的數(shù)學(xué)框架，并且在虛擬刺激裝置上進行實驗之后，研究團隊確定了實驗在大鼠的腦組織上所產(chǎn)生的結(jié)果。 根據(jù)研究把人員的說法，代數(shù)拓撲理論為識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的細節(jié)提供了工具。這種細節(jié)的識別涉及對個體神經(jīng)元的近距離觀察以及將人腦作為一個更大規(guī)模的整體結(jié)構(gòu)進行研究這兩個方面。 將兩方面的結(jié)果綜合考慮后，研究人員就能夠識別人腦中高維度的幾何結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由緊密連接的神經(jīng)元（派系）和期間的空隙空間（腔體）構(gòu)成的。 研究團隊寫道：“我們發(fā)現(xiàn)了大量不同種類高維度派系和腔體。它們有的是人工合成的，有的是生物自發(fā)形成的。而在此之前，我們在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中并沒有發(fā)現(xiàn)這些東西。 研究團隊中的來自EPFL的數(shù)學(xué)家Kathryn Hess認為，代數(shù)拓撲既是望遠鏡又是顯微鏡。 “代數(shù)拓撲既可以放大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，像從一片森林里找出一棵樹一樣幫助我們找到隱藏的結(jié)構(gòu)，同時還能幫我們看見空余的空間?！?/div> 這些空的腔體對于大腦的功能而言非常重要，當(dāng)研究人員給予模擬人腦組織一些刺激的時候，它們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元會用一種非常有條理的方式對刺激做出反應(yīng)。 團隊研究研究人員，蘇格蘭阿伯丁大學(xué)數(shù)學(xué)家Ran Levi說：“這就好像是我們的人腦用多維度磚塊建造塔體然后將塔體夷為平地的方式對刺激做出反應(yīng)。首先建造一根桿（一維），然后建造木板（二維），接著建造塊狀物（三維），當(dāng)然我們還可以建造四維和五維的更加復(fù)雜的幾何體?！?/div>
“在這個過程中，大腦的活躍程度就好像是建造一個多維度的沙堡，隨著活躍程度的逐漸降低，沙堡又漸漸解體?！?/div> 實驗結(jié)果為展現(xiàn)了一幅精妙的圖景，告訴我們大腦究竟是怎樣處理信息的。研究人員同時指出，我們還不確定到底是什么讓神經(jīng)元派系和腔體標(biāo)稱了它們現(xiàn)在的樣子。 并且，研究人員需要進行更多的研究來探究這些多維度的幾何體是怎樣形成的，以及它們和多種復(fù)雜的認知任務(wù)有什么關(guān)系。 |
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