Le 11 dimensioni del nostro super-complesso cervello

SCOPERTE – Immaginate di dover costruire un castello di sabbia. Si parte dalle fondamenta, come delle barre a una dimensione. Poi aggiungiamo le pareti, delle lastre bidimensionali, e infine immaginiamo la profondità. Questo è un castello in 3 dimensioni, quelle che siamo abituati a pensare. Ma già immaginare una quarta dimensione diventa complicato. Il cervello umano, invece, è in grado di costruire, con le sue reti neurali, delle strutture geometriche fino a 11 dimensioni. Questa la scoperta dei ricercatori svizzeri del Progetto Blue Brain, che hanno applicato allo studio delle reti neurali la topologia algebrica, una branca della matematica che descrive sistemi multidimensionali, mostrando così che il nostro cervello è molto più complesso di quanto fino a oggi ipotizzato.

Un vero e proprio universo le cui strutture e spazi sono totalmente da scoprire per descrivere l’architettura cerebrale, con i risultati dello studio condotti da Henry Markram, della Epfl di Losanna in Svizzera, che sono stati pubblicati sulla rivista Frontiers in Computational Neuroscience.

Per la prima volta il team di Markram ha esaminato il modo in cui una porzione di tessuto cerebrale virtuale organizza un gruppo di neuroni che si attivano. Ogni singolo neurone che andrà a comporre la struttura neurale genera un preciso oggetto geometrico. Più neuroni si raggruppano tra loro, maggiori saranno le dimensioni della struttura generata, ha spiegato Markram:

“Abbiamo scoperto un mondo che non avremmo mai immaginato. Ci sono decine di milioni di questi oggetti anche in un piccolo puntino di cervello, con strutture geometriche fino a 7 dimensioni. In alcune reti, abbiamo trovato strutture che raggiungono le 11 dimensioni”.

Una complessità geometrica che i ricercatori del Progetto Blue Brain non avevano dunque immaginato e che è stata svelata con l’applicazione della matematica in un modo del tutto nuovo alle reti neurali, permettendo agli scienziati di rivelare spazi e strutture multidimensionali in modo chiaro per la prima volta. Kathryn Hess del EPFL e Ran Levi della Aberdeen University sono i matematici che hanno collaborato con Markram e hanno utilizzato la topologia algebrica per osservare il cervello e spiegano:

“La topologia algebrica è come disporre di un microscopio e un telescopio contemporaneamente. Puoi ingrandire la rete neurale per vederne le strutture nascoste, come se fossero alberi nella foresta, e vedere gli spazi vuoti, ad esempio le radure, allo stesso tempo”.

I ricercatori avevano già raggiunto un importante risultato nell’ambito del Progetto Blue Brain nel 2015, realizzando la prima copia digitale di una porzione di neocorteccia, la parte del cervello più evoluta e in cui risiedono le nostre sensazioni, le azioni e la coscienza. Ora con il nuovo studio gli scienziati hanno concentrato la loro attenzione prima su un tessuto cerebrale virtuale, osservando la formazione di strutture multidimensionali: un risultato che non poteva essere stato ottenuto per puro caso e che si è dimostrato replicabile anche su tessuti cerebrali reali. Il cervello dunque ricrea costantemente le reti neurali, riaggregandole durante lo sviluppo in reti che creano strutture del maggior numero di dimensioni possibile, numero che è pari a 11 negli esperimenti eseguiti in laboratorio a Losanna.

Non solo le strutture sono importanti nello studio, ma anche le cavità che si formano quando le reti neurali si aggregano. Fornendo uno stimolo al tessuto infatti gli scienziati hanno osservato che se la struttura geometrica raggiungeva le 11 dimensioni, anche la cavità ad essa connessa era multidimensionale. Una risposta allo stimolo che si è rivelata estremamente organizzata nel processare le nuove informazioni fornite al tessuto cerebrale, come spiega Levi, co-autore dello studio:

“È come se il cervello reagisse allo stimolo costruendo, piuttosto che distruggendo, una torre di blocchi multidimensionali, partendo da barre unidimensionali, poi piani bidimensionali, poi cubi e poi geometrie più complesse a 4D, 5D o superiori. La progressione dell’attività nel cervello somiglia alla costruzione di castelli di sabbia multidimensionali che si materializzano dai singoli granelli aggregati tra loro per poi disintegrarsi”.

Proprio questa complessità multidimensionale, secondo i ricercatori, potrebbe spiegare la complessità delle operazioni che il nostro cervello è in grado di eseguire e dietro al meccanismo di aggregazione e disintegrazione di questi castelli di sabbia multidimensionali potrebbe nascondersi il meccanismo che permette la costruzione della memoria. Tra le cavità infatti potrebbero annidarsi i nostri ricordi che vengono archiviati nel cervello. Un punto di partenza per comprendere un organo molto più complesso di quanto avremmo mai pensato.

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