人間の脳は11次元の構造を構築していることを発見

2017年6月14日

人間の脳は11次元の構造を構築していることを発見

https://bigthink.com/hard-science/our-brains-think-in-11-dimensions-discover-scientists/

人間の脳は多次元的な神経構造を作り出していることが、画期的な研究で明らかになりました。

脳は、その壮大な複雑さで私たちを驚かせ続けています。神経科学と数学を組み合わせた画期的な研究により、私たちの脳は情報を処理する際に最大11次元の神経構造を作り出すことが明らかになった。この「次元」とは、抽象的な数学的空間のことであり、他の物理的な領域ではない。それでも、研究者たちは「想像もしなかった世界を発見した」と、この発見を行ったブルー・ブレイン・プロジェクトのディレクター、ヘンリー・マークラムは述べている。

スイスに拠点を置く「ブルー・ブレイン・プロジェクト」の目標は、人間の脳の「生物学的に詳細な」シミュレーションをデジタルで作成することである。前例のない」レベルの生物学的情報を持つデジタル脳を作成することで、約860億個の神経細胞を持つ、非常に複雑な人間の脳に対する理解を深めることを目指しています。

このような巨大なネットワークがどのように作動して私たちの思考や行動を形成しているのか、より明確なビジョンを得るために、科学者たちはスーパーコンピューターと特異な数学の一派を採用したのです。研究チームは、2015年に完成させた新皮質のデジタルモデルに基づいて、今回の研究を行った。このデジタル新皮質がどのように反応するかを、代数的トポロジーという数学体系を用いて探った。その結果、私たちの脳は常に非常に複雑な多次元幾何学的形状や「砂の城」のような空間を作り出していることを突き止めたのです。

数学の一分野であり、任意の次元のシステムを記述する代数的位相幾何学を用いなければ、多次元ネットワークの可視化は不可能であった。

ブルー・ブレイン・チームが発見した脳内ネットワークの多次元宇宙

この新しい数学的アプローチを用いることで、これまで「カオス」と思われていた神経細胞のパターンが高度に組織化されていることを見出すことができた。

「代数的トポロジーは、望遠鏡と顕微鏡を同時に使うようなものです。ネットワークにズームインして、隠れた構造（森の中の木）を見つけると同時に、何もない空間（空き地）を見ることができます」と、この研究の著者であるキャサリン・ヘス（Kathryn Hess）は述べている。

まず、作成した仮想脳組織で実験を行い、次に実際のラットの脳組織で同じ実験を行い、結果を確認した。

仮想の神経細胞を刺激すると、それぞれの神経細胞が徒党を組み、特定の幾何学的物体が形成されるように他の神経細胞と接続される。ニューロンの数が多ければ、さらに次元が増え、11次元になることもありました。これらの構造は、研究者が「キャビティ」と呼ぶ高次元の穴の周囲に組織化される。脳が情報を処理すると、徒党と空洞は消滅する。

左：脳の最も進化した部分である大脳新皮質の一部のデジタルコピー。
右：1次元から7次元までの構造を表す、サイズと幾何学的形状の異なる図形。
中央の「ブラックホール」は、多次元空間の複合体、別名「空洞」を象徴している。

研究者のラン・レヴィは、このプロセスがどのように機能しているのかを詳しく説明した。

「脳が情報処理を行う際に高次元の空洞が出現するということは、ネットワークの神経細胞が極めて組織的に刺激に反応していることを意味します。あたかも脳が、棒（1次元）から始まり、板（2次元）、立方体（3次元）、そして4次元、5次元と、より複雑な幾何学的構造をもつ多次元ブロックの塔を作っては壊し、刺激に反応しているようなものです。脳内の活動の進行は、砂の中から実体化し、崩壊していく多次元的な砂の城に似ています。」

今回の発見の意義は、「神経科学の基本的な謎の一つである、脳の構造と情報処理方法の関連性」をより深く理解できるようになったことにあります、とキャサリン・ヘスは『ニューズウィーク』誌のインタビューで詳しく述べています。

この研究チームは、代数的トポグラフィーを使って、刺激によって神経接続が強まったり弱まったりするプロセスである「可塑性」の役割を研究することを検討している。この研究成果は、人間の知能や記憶の形成の研究にも応用できると考えている。

本研究成果は、『Frontiers in Computational Neuroscience』誌に掲載されました。


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