دانشمندان ساختار یازده بعدی مغز را کشف کرده اند

تاکنون پرسش های بسیاری در ارتباط با مغز مطرح و فرضیه های متفاوتی نیز در این خصوص ارائه شده است. بطور مثال، یکی از پرسش های بنیادین که در ارتباط با مغز انسان مطرح شده مربوط به این موضوع است که اساساً مغز انسان آنالوگ است یا دیجیتال؟ نظریات مختلفی در این خصوص وجود دارد.

پل کینگ عصب شناس معروف بر این باور است که مغز انسان ها نه آنالوگ است و نه دیجیتال. هر چند در ظاهر این گونه به نظر می رسد که مغز توامان با یکدیگر از هر دو پارادیوم محاسباتی اشاره شده استفاده می کند، اما شاید چندان دقیق نباشد که اعلام داریم الگوی کاری مغز انسان شبیه به کامپیوترهای دیجیتالی وظایف مختلف را پردازش می کند. اما اگر بخواهیم در این زمینه دقیق تر اظهارنظر کنیم، باید بگوییم مغز انسان از نوع متفاوتی از محاسبات که مشتمل بر مدارها و شبکه هایی که بر اساس تعداد بسیار زیادی از سلول های عصبی کار می کنند، فعالیت های محاسباتی روزمره را انجام می دهد.

اما شناخت مدل مغز انسان تنها موضوع جذابی نیست که پیرامون این ماهیت پیچیده قرار دارد. پژوهشی که دانشمندان در این زمینه انجام داده اند، نشان می دهد که مغز انسان ساختاری یازده بعدی دارد. به عبارت دقیق تر، درون این کره اعجاب انگیز شاهد اشکال هندسی چند بعدی هستیم که این اشکال پیچیده هندسی از ترکیب گروهی از رشته های عصبی که همان سلول های عصبی هستند و دانشمندان آن را Clique نامگذاری کرده اند، به وجود آمده است.

در این مقاله شما می توانید با جزئیات تحقیقات یازده بعدی مغز آشنا شوید.

دانشمندانی که مشغول بررسی و مطالعه مغز هستند، کشف کرده اند که این اندام ساختارهای چند جهانی یا به عبارت دقیق تر چند بعدی دارد که قادر است تا یازده بعد متفاوت را خلق کند که دنیایی خارج از تصور ما است. محققان با استفاده از یک سیستم ریاضی پیشرفته توانسته اند ساختارهای معماری مغز را که هنگام پردازش اطلاعات و قبل از تجزیه شدن آنها ظاهر می شوند را کشف کنند. یافته های این دانشمندان که در مجله Frontiers in Computational Neuroscience چاپ شد، نشان می دهد فرآیندهای بسیار پیچیده ای در ایجاد ساختارهای مغزی دخیل هستند که می توانند بطور بالقوه توضیح دهند چرا درک عملکرد مغز و مرتبط ساختن ساختار و عمل آن اینقدر دشوار است.

در همین ارتباط، تیمی از پژوهشگران که هدایت آنها را جمعی از دانشمندان موسسه تحقیقاتی EPFL در سوئیس عهده دار هستند، تحقیقی تحت عنوان پروژه مغز آبی (Blue Brain) انجام داده اند. پروژه مغز آبی طرحی ابتکاری برای بازسازی دقیق زیست شناختی از مغز انسان است. این تیم که در ابتدا روی مغز موش کار می کردند، از شبیه سازی های ابرکامپیوتری برای مطالعه تعاملات پیچیده مغز در مناطق مختلف استفاده کردند. محققان در آخرین تحقیقات خود با استفاده از توپولوژی جبری (سیستمی که برای توصیف شبکه ها با فضاها و ساختارهایی در حال تغییر استفاده می شود)، تمام توجه خود را به ساختارهای شبکه عصبی در مغز معطوف داشتند. این اولین بار است که این شاخه از ریاضی برای علوم اعصاب بکار برده می شود.

توپولوژی جبری شبیه یک تلسکوپ و میکروسکوپ همزمان است و می تواند در شبکه ها زوم کند تا ساختارهای پنهان درختان در جنگل و فضاهای خالی بدون درخت را همزمان ببینید. در این مطالعه، محققان چند آزمایش را در بافت مغز مجازی انجام دادند تا ساختارهای مغز را که هرگز (مگر به صورت اتفاقی)، ظاهر نمی شوند را پیدا کنند. سپس آزمایش های مشابهی را روی بافت مغز واقعی انجام دادند تا تاییدی بر یافته های مجازی آنان باشد. آنها کشف کردند که وقتی بافت مجازی را با محرک تحریک می کنند، گروهی از نورون ها یک دسته (Clique) تشکیل می دهند. هر نورون به روش خاصی به نورون دیگر وصل می شود تا یک شئی هندسی دقیق بسازد. هرچه نورون ها در یک دسته بیشتر باشند، ابعاد این شئی هندسی بیشتر است.

در برخی موارد، محققان دسته هایی با بیش از یازده بعد مختلف را کشف کردند. ساختارها محفظه های شکل داری را برای سوراخ هایی با بعدهای زیاد تشکیل می دادند که تیم تحقیق، آنها را حفره نامیدند. وقتی مغز اطلاعات را پردازش می کند، دسته (Clique) و حفره ناپدید می شوند.

یکی از پژوهشگران این پروژه تحقیقاتی می گوید: «ظهور حفره ها با بعدهای بالا زمانی که مغز در حال پردازش اطلاعات است، یعنی اینکه نورون های موجود در شبکه به شکلی بسیار سازمان یافته به محرک پاسخ می دهند. درست مثل این است که مغز با ساختن و بعد تخریب برجی از بلوک های چند بعدی که با میله ها (یک بعدی) و سپس تخته ها (دو بعدی) و مکعب ها (سه بعدی) شروع می شود و به اشکال هندسی پیچیده تر چهار بعدی و پنج بعدی و… می رسد، به یک محرک واکنش نشان می دهد. پیشرفت فعالیت از طریق مغز شبیه یک قلعه شنی چند بعدی است که با شن و ماسه شکل می گیرد و سپس فرو می ریزد.»

هنری مارکرم (Henry Markram) مدیر پروژه مغز آبی می گوید: «این یافته ها نشان می دهند که چرا درک عملکرد مغز اینقدر سخت و دشوار است. علم ریاضیات که معمولاً برای مطالعه شبکه ها مورد استفاده قرار می گیرد، قادر به تشخیص ساختارها و فضاهای چند بعدی که ما به وضوح آنها را می بینیم نیست. ما جهانی را یافته ایم که هرگز تصورش را نمی کردیم. ده ها میلیون از این اشیای هندسی در بخش کوچکی از مغز وجود دارند که تا هفت بعد را در بر می گیرند. ما حتی در برخی از شبکه های مغز ساختارهایی یازده بعدی هم یافتیم.»

هس (Hess) می گوید: «این اکتشاف ما را به درک یکی از اسرار مهم علوم اعصاب که همانا ارتباط بین ساختار مغز و نحوه پردازش اطلاعات است، نزدیک تر کرده است. تیم ما با استفاده از توپولوژی جبری توانست ساختار بسیار سازمان یافته پنهان در الگوهای شلیک نورون ها را کشف کند، ساختاری که تا قبل از استفاده از این فیلتر ریاضی خاص قابل رویت نبود.» هس در بخش دیگری از صحبت هایش گفته است که یافته های جدید نشان می دهند که وقتی فعالیت مغز را با نمایه های با بعدهای کمتر توضیح می دهیم، فقط سایه ای از فعالیت واقعی را دریافت می کنیم. یعنی می توانیم برخی از اطلاعات را ببینیم، اما نه تصویر کامل آن را. بنابراین، اکتشافات ما توضیح می دهند که چرا درک ارتباط بین ساختار و عملکرد مغز اینقدر دشوار است.

او اضافه کرد: «الگوی پاسخ کلیشه ای که ما کشف کردیم نشان می دهد مدار با ساختن یک توالی از بازنمایی های هندسی که با بعدهای کم آغاز و پیوسته به تعداد ابعاد آن اضافه می شود، همیشه به محرک پاسخ می دهد، تا زمانی که این ساختن ناگهان متوقف می شود و سپس فرو می ریزد: یک امضای ریاضی برای واکنش به محرک ها.»

در آینده قصد داریم با استفاده از ابزارهای توپولوژی جبری به مطالعه نقش انعطاف پذیری مغز (تقویت و تضعیف اتصالات در پاسخ به محرک) بپردازیم. انعطاف پذیری یا پلاستیسیته نقش بسیار مهمی در فرآیند مرموز یادگیری دارد و امیدواریم بتوانیم دیدگاه جدیدی را در خصوص این پدیده ارائه دهیم. هنری مارکرم امیدوار است تیم تحت سرپرستی او در آینده بتوانند مکان دقیق ذخیره سازی مغز را شناسایی کنند. آنها بر این باور هستند که عملکرد این ساختار هندسی و همچنین عملکرد مربوط به آنها در حفره هایی با بعدهای بیشتر مستتر می شود.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «دانشمندان ساختار یازده بعدی مغز را کشف کرده اند»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله NewsWeek ترجمه شده توسط مهسا قنبری، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.