Quên đi 3D hay 4D, não bộ có thể tạo ra những cấu trúc không gian lên tới 11 chiều

Các nhà thần kinh học đã sử dụng một nhánh toán học cổ điển theo một cách hoàn toàn mới để nghiên cứu cấu trúc não bộ của chúng ta. Điều mà họ đã khám phá ra là não bộ chứa rất nhiều cấu trúc hình học đa chiều, có thể hoạt động lên tới 11 chiều.

Chúng ta từng nghĩ rằng thế giới hình thành từ 3 chiều không gian (3D), vì vậy điều này nghe có vẻ hơi phức tạp, nhưng các kết quả từ nghiên cứu mới này có thể là bước tiến quan trọng tiếp theo trong hiểu biết của chúng ta về cấu trúc của não bộ - một cấu trúc phức hợp “khó nhằn nhất” mà chúng ta từng biết.

Mô hình não mới nhất được nghiên cứu bởi một nhóm thuộc Dự án Blue Brain, là một sáng kiến nghiên cứu của Thụy Sĩ dành cho việc tạo dựng một siêu máy tính dựa trên cấu trúc của não người.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tô pô đại số, một nhánh của toán học được dùng để mô tả thuộc tính của các vật thể và không gian, bất kể là chúng thay đổi hình dạng ra sao. Họ thấy rằng những tế bào thần kinh kết nối với nhau bên trong một “nhóm”, và số lượng các tế bào thần kinh trong một nhóm có thể dẫn đến việc kích thước của nhóm trở thành một vật thể hình học có chiều cao (1D).

“Chúng tôi đã tìm thấy một thế giới mà chưa từng tưởng tượng ra trước đây”, nhà nghiên cứu chính, nhà thần kinh học Henry Markram từ Viện EPFL ở Thụy Sĩ. “Có hàng chục triệu vật thể như vậy ngay cả trong một phần nhỏ của não, và nó lên đến 7 chiều.Trong một số mạng lưới khác, chúng tôi thậm chí còn tìm thấy những cấu trúc có tới 11 chiều.”

Não người được ước tính có đến 86 tỷ tế bào thần kinh, với rất rất nhiều các kết nối từ mỗi màng tế bào đến tất cả những hướng có thể, từ đó hình thành nên một mạng lưới tế bào rộng lớn và bằng cách nào đó nó giúp chúng ta có thể suy nghĩ và ý thức.

Với số lượng lớn các kết nối như vậy, không có gì đáng ngạc nhiên khi chúng ta vẫn chưa có một sự hiểu biết thấu đáo về hoạt động của mạng lưới thần kinh não bộ. Nhưng với phương pháp tiếp cận mới sử dụng toán học được xây dựng bởi nhóm nghiên cứu, đã giúp chúng ta tiến thêm một bước lại gần hơn tới mục tiêu có được một mô hình não bộ kỹ thuật số.

Để thực hiện các thử nghiệm toán học, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một mô hình chi tiết của tân vỏ não (một phần của bộ não) mà Dự án Blue Brain đã công bố năm 2015. Tân vỏ não được cho là một trong những phần phát triển nhất của não bộ, chịu trách nhiệm về ngôn ngữ và ý thức.

Sau khi phát triển nền tảng toán học và thử nghiệm nó trong một số kích thích với tế bào não ảo, nhóm nghiên cứu đã xác nhận các kết quả của họ trên mô não của loài chuột.

Theo các nhà nghiên cứu, tô pô đại số cung cấp những công cụ toán học giúp phân tích các chi tiết của mạng lưới thần kinh ở cận cảnh của từng tế bào thần kinh riêng lẻ, và cả quy mô lớn bao gồm toàn bộ cấu trúc não.

Bằng cách kết nối cả cái nhìn cận cảnh lẫn toàn bộ, các nhà nghiên cứu có thể phân biệt các cấu trúc hình học có chiều cao ở trong não, được hình thành bởi tập hợp các tế bào thần kinh liên kết chặt chẽ với nhau (các nhóm) và những khoảng trống giữa chúng (các khoang).

“Chúng tôi tìm thấy một số lượng lớn và đa dạng của những nhóm và khoang có chiều cao, điều này trước đây chưa được nhìn thấy trong mạng lưới thần kinh sinh học hay nhân tạo”, nhóm nghiên cứu cho biết.

“Tô pô đại số giống như một thấu kính vừa có thể phóng đại, vừa thu nhỏ cùng lúc”, một trong các nhà nghiên cứu, nhà toán học Kathryn Hess từ EPFL cho biết. “Nó có thể phóng to các mạng lưới để tìm những cấu trúc ẩn bên trong, ví như nhìn thấy những cái cây bên trong khu rừng và cả những khoảng trống cùng một lúc.”

Những khoảng trống hay các khoang này dường như cực kỳ quan trọng đối với chức năng của não. Khi các nhà nghiên cứu thực hiện một kích thích đối với mô não ảo, họ thấy rằng các tế bào thần kinh đã phản ứng lại nó một cách có tổ chức.

Tất cả những điều này có làm bạn liên tưởng đến microbot, loại robot có thể mô phỏng theo não bộ con người?

“Nó giống như là não bộ phản ứng lại một kích thích bằng cách tạo ra và phá hủy đi một tòa tháp đa chiều, bắt đầu với thanh giằng (1D), đến ván sàn (2D), tiếp theo là khối lập phương (3D), và sau đó là các dạng hình học phức tạp hơn với 4D, 5D, vân vân...”, nhà toán học Ran Levi thuộc Đại học Aberdeen ở Scotland.

“Sự tiến triển của các hoạt động thông qua não bộ giống như một lâu đài bằng cát đa chiều, mọi thứ được vật chất hóa bởi cát và sau đó tan rã.”

Những phát hiện này đã cung cấp một cái nhìn mới mẻ về cách não bộ xử lý thông tin, nhưng các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vẫn chưa rõ cái gì đã làm cho những khoang và nhóm hình thành theo một cách đặc biệt như vậy.

Và sẽ còn nhiều việc cần làm để xác định mức độ phức tạp của các hình dạng đa chiều được hình thành bởi các tế bào thần kinh phụ trách ngôn ngữ và ý thức này. Nhưng chắc chắn đây không phải là lần cuối cùng chúng ta nghe về những khả năng mà tô pô đại số có thể giúp lý giải bí ẩn lớn nhất của cơ thể con người - bộ não.

Tham khảo Sciencealert