Usando las matemáticas de un modo innovador en neurociencia se pudo demostrar en un estudio reciente que el cerebro humano opera en muchas dimensiones y no solamente en las tres a las que estamos acostumbrados. Para la mayoría de la gente comprender el mundo en cuatro dimensiones es una cuestión de la imaginación, pero el Proyecto Blue Brain ha descubierto estructuras en el cerebro dotadas de hasta once dimensiones. Se trata de un estudio demoledor a través del cual se empiezan a revelar los secretos arquitectónicos más profundos del cerebro humano.

Usando la topología algebraica de un modo nunca antes usado en neurociencia, un equipo del Poyecto Blue Brain descubrió un universo de estructuras y espacios geométricos multi-dimensionales dentro de las redes del cerebro.

El estudio, publicado el 12 de junio de 2017 en Frontiers in Computational Neuroscience, muestra que estas estructuras surgen cuando un grupo de neuronas forma una camarilla: cada neurona se conecta con cada una de las otras neuronas en el grupo de un modo tan especifico que genera un objeto geométrico preciso. Entre más neuronas haya en la camarilla, más alta será la dimensión del objeto geométrico.

11 dimensiones cerebro

Topología en neurociencia: La imagen intenta ilustrar also que no puede ser imaginado —un universo de estructuras y espacios multidimensionales. La imagen de la izquierda es una copia digital de una parte del neocórtex, la parte más desarrollada del cerebro. A la derecha hay formas de diferentes tamaños y geometrías en un intento por representar estructuras que van de 1D a 7D y más allá. El “agujero negro” de enmedio se usa para simbolizar un complejo x de espacios multi-dimensionales, o cavidades. Foto: Blue Brain Project.

El neurocientífico Henry Marktram, director del Proyecto Blue Brain y profesor de el EPFL en Lausana, Suiza, dice que:

“Encontramos un mundo que nunca imaginamos. Hay decenas de millones de estos objetos de hasta once dimensiones incluso en una pequeña partícula del cerebro.”

Markram sugiere que esto podría explicar por qué ha sido tan difícil comprender el cerebro.

“Las matemáticas normalmente aplicadas al estudio de redes no pueden detectar estructuras ni espacios de alta dimensión que ahora podemos ver con claridad.”

Si los mundos 4D ya ponen a prueba nuestra imaginación, los mundos 5D ó de mayor dimensión son sumamente complejos como para que podamos comprenderlos. Es aquí donde la topología algebraica entra en escena, ya que se trata de una rama de las matemáticas que es capaz de describir sistemas con cualquier cantidad de dimensiones. Kathryn Hess de EPFL y Ran Levi de la Universidad de Aberdeen son los matemáticos que trajeron la topología algebraica al estudio de las redes del cerebro en el Proyecto Blue Brain.

“La topología algebraica es como un telescopio y un microscopio a la vez. Puede enfocarse dentro de redes para encontrar estructuras escondidas y espacios vacíos al mismo tiempo” —explica Hess.

En 2015, Blue Brain publicó la primera copia digital de un pedazo de neocórtex —la parte más desarrollada del cerebro y asiento de nuestras sensaciones, acciones y consciencia. En el estudio reciente se efectuaron múltiples pruebas en el tejido del cerebro virtual usando topología algebraica para mostrar que las estructuras multi-dimensionales descubiertas del cerebro nunca podrían ser producidas por casualidad.

Después se llevaron a cabo experimentos en el tejido cerebral real en el laboratorio de Blue Brain en Lausana para confirmar que los descubrimientos anteriores en el tejido virtual son biológicamente relevantes y también sugieren que el cerebro se recablea constantemente durante su desarrollo para construir una red con tantas estructuras de dimensión alta como sea posible.

Cuando los investigadores dieron un estímulo al tejido virtual del cerebro, camarillas progresivas de dimensiones más altas se ensamblaron momentáneamente para encerrar agujeros de alta dimensión a los que los investigadores se refirieron como cavidades.

“La aparición de cavidades de alta dimensión cuando el cerebro está procesando información significa que las neuronas en la red reaccionan a estímulos de una forma extremadamente organizada” —dice Levi. “Es como si el cerebro reaccionara a un estímulo creando y después arrasando una torre de bloques multi-dmensionales, empezando con varillas (1D), luego tablones (2D), después cubos (3D), y posteriormente geometrías más complejas con 4D, 5D, etc. La progresión de actividad a través del cerebro se parece un castillo de arena multi-dimensional que se materializa desde la arena y después se desintegra.”

La gran pregunta que los investigadores se están haciendo en este momento es si la intrincación de tareas que los humanos pueden llevar a cabo dependen de la complejidad de los “castillos de arena” multi-dimensionales que el cerebro puede construir. La neurociencia también ha estado luchando por encontrar en dónde almacena el cerebro sus memorias. “Podrían “esconderse” en cavidades de alta dimensión” —dice Markram.

 

 

Fuentes:

1. Reimann MW, Nolte M, Scolamiero M, Turner K, Perin R, Chindemi G, Dłotko P, Levi R, Hess K and Markram H (2017) Cliques of Neurons Bound into Cavities Provide a Missing Link between Structure and Function. Front. Comput. Neurosci. 11:48. doi: 10.3389/fncom.2017.00048.

2. Cliques of Neurons Bound into Cavities Provide a Missing Link between Structure and Function.

3. Blue Brain Team Discovers a Multi-Dimensional Universe in Brain Networks.

 

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