Η κοσμολογική σκέψη συναντά τη Νευροεπιστήμη

Ένα από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα στη Νευροεπιστήμη περιστρέφεται γύρω από τις συνδέσεις μεταξύ των εγκεφαλικών κυττάρων. Υπάρχουν εκατοντάδες φορές περισσότερες συνδέσεις στον ανθρώπινο εγκέφαλο από ό,τι υπάρχουν αστέρια στο γαλαξία μας, αλλά το ποια εγκεφαλικά κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους και γιατί παραμένει μυστήριο. Αυτό περιορίζει την ικανότητα των επιστημόνων να αντιμετωπίζουν με ακρίβεια θέματα ψυχικής υγείας και να αναπτύσσουν ακριβέστερη τεχνητή νοημοσύνη.

Η πρόκληση της ανάπτυξης μιας μαθηματικής θεωρίας για την καλύτερη κατανόηση αυτών των συνδέσεων ήταν ένα πρόβλημα που έθεσε για πρώτη φορά ο επικεφαλής της ομάδας Janelia, James Fitzgerald, όταν ο Tirthabir Biswas έφτασε στο εργαστήριό του.

Ο Biswas κάθισε με στυλό και χαρτί και χρησιμοποίησε τις γνώσεις του στη γεωμετρία για να σκεφτεί το πρόβλημα, και μέσα σε λίγες μέρες, είχε μια σημαντική εικόνα για τη λύση την οποία, στη συνέχεια, μοιράστηκε με τον Fitzgerald.

"Είχε μια εικόνα που είναι πραγματικά θεμελιώδης για το πώς λειτουργούν αυτά τα δίκτυα, που οι άνθρωποι δεν είχαμε πριν", λέει ο Fitzgerald. "Αυτή η διορατικότητα ενεργοποιήθηκε από τη διεπιστημονική σκέψη".

Η ιδέα του Biswas βοήθησε την ομάδα να αναπτύξει ένα νέο τρόπο για τον εντοπισμό βασικών συνδέσεων μεταξύ των εγκεφαλικών κυττάρων, ο οποίος δημοσιεύτηκε στο Physical Review Research. Αναλύοντας τα δίκτυα των νευρώνων στον εγκέφαλο- με μαθηματικά μοντέλα που μιμούνται τα εγκεφαλικά κύτταρα και τις συνδέσεις τους - μπόρεσαν να καταλάβουν ότι ορισμένες συνδέσεις στον εγκέφαλο μπορεί να είναι πιο ουσιαστικές από άλλες.

Συγκεκριμένα, εξέτασαν πώς αυτά τα δίκτυα μετατρέπουν τις εισόδους, σε εξόδους. Για παράδειγμα, μια είσοδος θα μπορούσε να είναι ένα σήμα που ανιχνεύεται από το μάτι και η έξοδος θα μπορούσε να είναι η προκύπτουσα εγκεφαλική δραστηριότητα. Εξέτασαν ποια μοτίβα σύνδεσης είχαν ως αποτέλεσμα τον ίδιο μετασχηματισμό εισόδου-εξόδου.

Όπως ήταν αναμενόμενο, υπήρχε άπειρος αριθμός πιθανών συνδέσεων για κάθε συνδυασμό εισόδου-εξόδου. Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι ορισμένες συνδέσεις εμφανίστηκαν σε κάθε μοντέλο, οδηγώντας την ομάδα να προτείνει ότι αυτές οι απαραίτητες συνδέσεις θα μπορούσαν να υπάρχουν σε πραγματικούς εγκεφάλους. Η καλύτερη κατανόηση του ποιες συνδέσεις είναι πιο σημαντικές από άλλες θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγαλύτερη επίγνωση του τρόπου με τον οποίο τα πραγματικά νευρωνικά δίκτυα στον εγκέφαλο εκτελούν υπολογισμούς.

Απολαμβάνετε το περιεχόμενο μας? Εγγραφείτε στο newsletter μας!

Το επόμενο βήμα είναι οι νευροεπιστήμονες να δοκιμάσουν αυτή τη νέα μαθηματική θεωρία για να δουν αν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κάνουν προβλέψεις σχετικά με το τι συμβαίνει στον εγκέφαλο. Η εξεύρεση των υποκείμενων θεωρητικών αρχών σε μικρά ζώα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατανόηση των συνδέσεων στον ανθρώπινο εγκέφαλο, όπου η καταγραφή μιας τέτοιας δραστηριότητας δεν είναι ακόμη εφικτή.