Bộ não con người có thể tạo ra các cấu trúc lên tới 11 chiều.

“Chúng ta có một thế giới mà chúng ta chưa từng nghĩ tới”.
Các nhà thần kinh học đã sử dụng một phân nhánh toán học cổ điển theo cách hoàn toàn mới để nghiên cứu cấu trúc não của chúng ta. Những gì họ khám phá ra chính là bộ não có nhiều cấu trúc hình học đa chiều có thể lên đến 11 chiều.

Chúng ta thường nghĩ quan sát thế giới từ theo quan điểm không gian 3-D, vì vậy điều này có vẻ hơi phức tạp nhưng kết quả của nghiên cứu mới này có thể là bước đi quan trọng tiếp theo trong việc hiểu được cấu trúc của bộ não con người – cấu trúc phức tạp nhất chúng ta từng biết.

Mô hình não mới nhất này được sản xuất bởi một nhóm các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ thuộc Dự án Blue Brain, bước đầu được xây dựng để tái thiết bộ não con người bằng siêu máy tính.

Nhóm đã sử dụng Đại số Topo, một phân nhánh toán học dùng để mô tả các thuộc tính của vật thể và không gian bất kể chúng thay đổi hình dạng như thế nào. Họ nhận thấy rằng các neuron kết nối thành “nhóm”, và số lượng neuron trong nhóm có thể tạo nên cấu trúc hình học đa chiều (khái niệm chiều theo toán học chứ không phải là không gian và thời gian).

Trưởng nhóm nghiên cứu, nhà thần kinh học Henry Markram của Viện EPFL ở Thụy Sĩ cho biết: “Chúng tôi đã tìm ra một thế giới mà chúng ta chưa bao giờ tưởng tượng được”.

“Có hàng chục triệu vật thể trong một điểm nhỏ của bộ não có tới 7 chiều. Trong một số mạng lưới thần kinh, chúng ta thậm chí còn tìm ra các cấu trúc có tới 11 chiều.”

Cần rõ ràng thế này – đây không phải là chiều theo bạn nghĩ về kích thước không gian (Vũ trụ của chúng ta có ba chiều không gian kích thước cộng với một chiều thời gian), thay vào đó nghiên cứu này đề cập đến cách các nhà nghiên cứu đã quan sát mạng lưới các dây thần kinh neuron để xác định cách chúng có kết nối với nhau như thế nào.

Các nhà nghiên cứu giải thích trong báo cáo: “Mạng lưới thường được phân tích dưới dạng các nhóm giao điểm, được gọi là clique. Số lượng neuron trong nhóm quyết định kích cỡ của nó, hoặc đúng hơn là chiều của nó.”

Não người ước tính có 86 tỷ neuron, với vô số các liên kết màng tế bào theo mọi hướng có thể, tạo thành mạng lưới thần kinh rộng lớn và nhờ chúng, chúng ta có khả năng suy nghĩ và ý thức.

Làm việc với một số lượng lớn các liên kết như vậy, không có gì ngạc nhiên khi chúng ta vẫn chưa hiểu rõ hết về hoạt động của hệ thống thần kinh ở não. Nhưng trong khuôn khổ toán học mới được xây dựng bởi nhóm nghiên cứu giúp chúng ta tiến thêm một bước nữa một mô hình bộ não số.

Để thực hiện các thử nghiệm toán học, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình vỏ não mới chi tiết của nhóm Dự án Blue Brain được sản xuất trở lại năm 2015. Vỏ não mới được coi là bộ phận tiến hóa muộn nhất trong bộ não của chúng ta, và một trong những chức năng cao cấp ở vỏ não mới là nhận thức và cảm nhận giác quan.

Sau khi phát triển thuật toán và thử nghiệm một số kích thích ảo, nhóm nghiên cứu xác nhận kết quả của họ trên mô não thực sự ở chuột.

Theo các nhà nghiên cứu, đại số Topo cung cấp các công cụ toán học để giải quyết các chi tiết phức tạp trong mạng lưới neuron về một cái nhìn cận cảnh ở mức độ của các tế bào thần kinh riêng lẻ, và cả một quy mô lớn hơn của cấu trúc não toàn thể.

Bằng cách liên kết 2 mức độ này, các nhà nghiên cứu có thể phân biệt các cấu trúc hình học đa chiều trong não, được hình thành bởi các tập hợp các neuron kết nối chặt chẽ (cliques) và không gian trống (khoang) giữa chúng.
“Chúng tôi tìm thấy một số lượng đáng kể và sự đa dạng của tập hợp đa chiều clique và khoang, điều chưa từng được phát hiện trước đây trong mạng lưới thần kinh sinh học hay nhân tạo.”, Nhóm nghiên cứu viết.

Một trong các thành viên của nhóm, nhà toán học Kathryn Hess từ EPFL cho biết: “Sử dụng Đại số Topo giống như ta dùng kính thiên văn và kính hiển vi cùng một lúc vậy.”

“Nó có thể phóng to các mạng lưới để tìm các cấu trúc ẩn, như tìm những cây trong rừng, và nhìn thấy không gian trống, như những vùng đất trống, cùng một lúc”.

Những khoảng trống hay khoang dường như rất quan trọng đối với chức năng của não. Khi các nhà nghiên cứu tạo cho mô não ảo của họ một kích thích, họ thấy rằng neuron đã phản ứng lại nó theo một cách có tổ chức cao.
“Điều đó giống như việc bộ não phản ứng với một kích thích bằng cách xây dựng và sau đó phá hủy một tháp khối đa chiều, bắt đầu bằng thanh (1D), sau đó là tấm ván (2D), sau đó là hình khối (3D) và sau đó là các hình học phức tạp hơn Với 4D, 5D,…” một trong các thành viên của nhóm, nhà toán học Ran Levi từ Đại học Aberdeen ở Scotland.
“Quá trình hoạt động của bộ não giống như một cồn cát đa chiều tạo ra trên cát và sau đó tan rã.”

Những phát hiện này cung cấp một hình ảnh mới mẻ về cách thức bộ não xử lý thông tin, nhưng các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng vẫn chưa có gì rõ ràng về cách thức cụ thể các clique và khoang trống hình thành.

Cần có nhiều công việc hơn nữa để xác định mức độ phức tạp của các hình dạng hình học đa chiều được hình thành bởi neuron liên quan tới các nhiệm vụ nhận thức phức tạp khác nhau.

Nhưng chắc chắn một điều đây không phải là lần cuối chúng ta sẽ được nghe nói về đại số Topo rằng nó có thể cho chúng ta thấy được điều bí ẩn nhất của cơ thể con người – bộ não.

 

Hoài Thu
Nghiên cứu được công bố trên Frontiers of Computational Neuroscience .

Facebook Comments

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *