Se pensare in 4 dimensioni appare unastrazione difficile per molti di noi, un nuovo studio sul
cervello che usa la topologia algebrica dimostra che il cervello umano è un universo
multidimensionale: può costruire strutture fino a 11 dimensioni.
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
larchitettura 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 lapplicazione 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 nellambito 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 dellattività 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.
Veronica Nicosia
oggiscienza.it
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