Наш мозг многомерен

Чтобы быть счастливым, нужны нейронные связи

Для того чтобы проникнуть в другие измерения, оказывается, не обязательно использовать черные дыры или машину времени, достаточно всего лишь… заглянуть в собственный мозг! Никакой фантастики тут нет: недавно нейробиологи из института EPFL в Швейцарии экспериментальным путем пришли к выводу, что в человеческом мозге присутствует огромное количество объектов, обладающих геометрическими свойствами и насчитывающих до 7, а порой и до 11 измерений.

Зачем вообще понадобилось такое исследование? Дело в том, что в мозге, по подсчетам специалистов, около 86000000000 нервных клеток – нейронов. Они образуют сети, взаимодействующие между собой. Именно благодаря нейронным связям мы способны осознавать окружающий мир, мыслить и действовать. Если связи между нейронами нарушены, мозг перестает нормально функционировать и возникают различные нервные и психические патологии. Если нейроны не соединятся между собой должным образом, мы не сможем совершить самое простое действие, например поднять руку или ногу, поправить волосы, у нас могут возникнуть проблемы с запоминанием тех или иных фактов и событий, мы можем оказаться не способны адекватным образом осмыслить ситуацию… Причиной могут стать травмы головы, различные физиологические недуги, дегенеративные процессы, например, носящие возрастной характер. Инсульт, шизофрения, опухоль мозга, аутизм, болезнь Альц­геймера, рассеянный склероз – все эти заболевания связаны с нарушением взаимодействия между нейронными сетями. Если в мозге что-то нарушено, то человек уже не сможет жить полноценной жизнью, даже если его тело и другие органы здоровы.

Есть такая поговорка: «Чтобы быть счастливым человеком, нужны хорошие связи. Хорошие нейронные связи».

Многим ученым хотелось бы понять, как устроен мозг и как работают нейронные сети, в том числе и для того, чтобы помогать больным людям. Но из-за большого объема нейронных связей решить эту задачу весьма затруднительно. И все же это может стать реальностью.

В последнее время ученые сделали несколько любопытных открытий о мозге. Так, нейробиологи из Французского института здоровья и медицинских исследований (INSERM) обнаружили, что мозг способен формировать нейронные сети на случай возникновения новой для него ситуации. Это позволяет приматам адаптироваться к новым условиям таким образом, который не предусмотрен эволюционными процессами. Уникальные комбинации нейронных импульсов помогают вырабатывать правильное поведение в непредвиденных обстоятельствах.

Чтобы доказать это, ученые построили модель резервуарной сети, которую заставили выполнить новую задачу. Затем они сравнили работу сети с работой префронтальной коры головного мозга под­опытных обезьян, столкнувшихся с новыми для них обстоятельствами. Оказалось, что обе сети проявляли активность сходным образом.

А еще в мозг у нас встроен естественный навигатор, к такому выводу пришли специалисты из университетов Стэнфорда, Сан-Хосе и Нью-Йорка во главе с Тэккери Брауном. Они выяснили, что механизм, основанный на взаимодействии префронтальной коры и гиппокампа, дает нам возможность заниматься планированием, а также прокладывать маршруты из пункта А в пункт В.

МРТ установила, что периренальная кора мозга кодирует сигналы о состоянии внешней среды, а парагиппокампальная кора, примыкающая к гиппокампу – сигналы о положении тела в пространстве.
Кроме того, ученые выяснили, какие именно группы нейронов отвечают за распознавание так называемых промежуточных целей, указывающих на то, что человек находится на верном пути, и какие активизируются при «встрече» с объектами, которые свидетельствуют о том, что мы движемся в неверном направлении.

В свою очередь исследовательская группа Blue Brain из EPFL задумала построить на компьютере математическую модель структуры нашего мозга. В процессе ее построения ученые использовали метод алгебраической топологии. Так называется раздел математики, описывающий свойства объектов и пространств независимо от изменения их формы.

Тестирование проводилось на разработанной еще в 2015 году модели неокортекса – важной части мозга, которая предположительно ответственна за такие его функции, как познание и сенсорное восприятие.
В итоге выяснилось, что отдельные группы нейронов соединяются между собой в так называемые клики, представляющие собой многомерные геометрические объекты. Необходимо подчеркнуть, что речь идет вовсе не о пространственно-временных, а о чисто математических измерениях, то есть о количестве нейронных связей. Причем оно зависит от размера того или иного «клика», то есть узловой точки, в которой «пересекаются» нейроны.

При стимуляции виртуальной мозговой ткани искусственным путем нейроны реагировали на нее высокоорганизованным образом. «Это как если бы мозг реагировал на раздражитель, строя и затем разрушая башню из многомерных блоков… – утверждает Ран Леви из Университета Абердина в Шотландии. – Развитие активности через мозг напоминает многомерный замок из песка, который материализуется… и затем распадается».

Результаты тестирования были подтверждены также в процессе экспериментов на живых тканях у подопытных крыс.

«Мы нашли мир, о котором никогда не мечтали, – прокомментировал один из руководителей исследования Генри Маркрам. – Даже в самой маленькой части мозга существуют десятки миллионов подобных объектов, и размерность их колеблется вплоть до семи измерений. В некоторых сетях мы даже обнаружили структуры с количеством измерений, достигающим 11».

Важным открытием стало то, что между нейронными «кликами» существуют пустые пространства, или полости, которые, вероятно, критически влияют на работу мозга.

«Алгебраическая топология похожа на телескоп и микроскоп одновременно, – рассказывает еще один участник команды, математик Кэтрин Хесс из EPFL. – Он помогает приблизиться к сетям, чтобы найти скрытые структуры и одновременно увидеть пустые пространства. Это похоже на поиск деревьев и полян в едином массиве леса».

Теперь наконец появилась некоторая ясность по поводу того, как в мозгу протекают процессы обработки информации. Правда, пока непонятно, почему «клики» и полости формируются такими специ­фическими путями и как «многомерность» соотносится с решением когнитивных задач. Но исследователи надеются со временем получить ответ и на этот вопрос.

Ида ШАХОВСКАЯ