Từ năm 2017, các nhà khoa học thần kinh đã cải tiến một phương pháp toán học cổ điển mô tả cấu trúc bộ não chúng ta. Phương pháp này cho thấy não bộ chứa đầy các cấu trúc hình học đa chiều hoạt động trong không gian 11 chiều.
Chúng ta thường cho rằng thế giới chỉ có 3 chiều (dài, rộng, cao), vì vậy việc diễn tả cấu trúc 11 chiều khá khó khăn. Tuy nhiên, nghiên cứu này có thể là bước quan trọng tiếp theo trong việc tìm hiểu bộ não con người - cấu trúc phức tạp nhất mà chúng ta từng biết.
Cấu trúc phức tạp nhất của tự nhiên
Mô hình toán học cho bộ não mô tả bởi nhóm các nhà nghiên cứu Dự án Blue Brain của Thụy Sĩ, dành cho việc xây dựng siêu máy tính dựa trên bộ não con người.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tô-pô đại số, một nhánh của toán học được dùng để mô tả thuộc tính các đối tượng và không gian, bất kể chúng thay đổi hình dạng như thế nào.
 |
| Hình ảnh này minh họa một cấu trúc không gian đa chiều, bên dưới là minh họa vỏ não - vùng tiến hóa nhất của não, trong khi bên trên là các cấu trúc hình học khác nhau tượng trưng cho các chiều không gian. Lỗ đen ở giữa tượng trưng cho phức hợp các không gian đa chiều. Ảnh: Blue Brain Project. |
Họ phát hiện những nhóm tế bào thần kinh kết nối thành các ''cụm'', số lượng tế bào thần kinh trong một cụm sẽ quyết định số chiều của cụm đó (chiều toán học, không phải không gian hay thời gian).
"Chúng tôi đã tìm thấy thế giới trước đó chẳng ai có thể tưởng tượng ra", nhà khoa học thần kinh Henry Markram từ viện EPFL, Thụy Sĩ cho biết, "Có hàng chục triệu cụm tế bào thần kinh trong một mảnh nhỏ của não, với kích thước lên đến 7 chiều. Trong một số mạng, chúng tôi thậm chí tìm thấy những cấu trúc 11 chiều".
Đây không phải chiều của không gian (Vũ trụ chúng ta có ba chiều không gian cộng với một chiều thời gian), thay vào đó nó đề cập đến số cách thức các cụm neuron kết nối với nhau, mỗi cách thức là 1 chiều.
“Các mạng lưới thần kinh được phân tích dựa trên những nhóm neuron có liên kết đầy đủ với nhau. Mỗi nhóm này được gọi là một cụm, có những liên kết giữa các cụm này trong não bộ. Số lượng neuron trong một cụm quyết định kích thước, nói cách khác là số chiều của nó”, nhóm nghiên cứu giải thích.
Não người ước tính có khoảng 86 tỷ neuron, các liên kết tế bào thần kinh phát triển trên khắp hướng hình thành nên mạng thần kinh, cho phép chúng ta suy nghĩ, nhận thức.
Do số lượng khổng lồ các kết nối, chúng ta vẫn chưa hiểu hết cách thức làm việc của não bộ. Tuy vậy, mô hình toán học có thể giúp chúng ta tạo ra bộ não “kỹ thuật số” mô phỏng chính bộ não của mình.
Để kiểm tra tính chính xác của mô hình toán, nhóm nghiên cứu sử dụng một mô hình chi tiết về vỏ não mà Blue Brain Project xuất bản năm 2015. Vỏ não được cho là phần phát triển nhất trong bộ não chúng ta và có liên quan đến một số chức năng bậc cao như nhận thức và cảm giác.
 |
| Một mô phỏng não bộ chiến binh của Mỹ. Ảnh: The Atlantic. |
Sau khi phát triển mô hình toán và thử nghiệm trên một số mô phỏng máy tính, nhóm nghiên cứu xác nhận kết quả của họ là đúng với thực tế trên mô não chuột. Theo họ, các công cụ toán và mô phỏng cho phép chúng ta nhìn cận cảnh ở cấp độ tế bào các neuron riêng lẻ và toàn bộ cấu trúc não.
Bằng phương pháp mô phỏng toán, nhóm nghiên cứu nhìn thấy các liên kết giữa cụm và khoảng trống của chúng trong bộ não chúng ta. "Chúng tôi tìm thấy số lượng đáng kể sự đa dạng của các nhóm và lỗ trống đa chiều, điều chưa từng thấy trước đây trong những mạng lưới thần kinh, dù là sinh học hay nhân tạo", nhóm nghiên cứu cho biết.
“Tô-pô đại số cũng giống như kính hiển vi và kính thiên văn kết hợp lại làm một”, nhà toán học Kathryn Hess từ EPFL cho biết, “Nó có thể nhìn sâu vào cấu trúc siêu nhỏ ẩn chứa bên trong, như từng chiếc lá trên cây, cả những khoảng trống, cấu trúc lớn hơn”.
Vật chất hóa thông tin
Các khoảng trống trong não bộ có thể đóng vai trò rất quan trọng. Khi các nhà khoa học tiến hành một mô phỏng số, họ thấy các tế bào thần kinh phản ứng với những khoảng trống này theo cách rất có tổ chức.
"Nó giống như não bộ chúng ta phản ứng với một tín hiệu bằng cách tạo ra nhiều cấu trúc đa chiều mô tả tín hiệu đó, rồi phá hủy những kết cấu đó đi. Các khối đa chiều bắt đầu bằng những thanh (1Dimension), sau đó là mặt phẳng (2D), hình khối (3D), các hình học phức tạp hơn với 4D, 5D,...", nhà toán học Ran Levi từ Đại học Aberdeen, Scotland cho biết.
 |
| Các khoảng trống trong não bộ có thể đóng vai trò rất quan trọng mà chúng ta chưa hiểu hết. Ảnh: Itsastrangeworld. |
"Hoạt động của bộ não giống như nó liên tục xây “lâu đài cát” đa chiều, một cách thức vật chất hoá thông tin, sau đó xử lý và phá huỷ nó đi. Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục", ông nói.
Những phát hiện này cung cấp bức tranh mới đầy mê hoặc về cách não xử lý thông tin, nhưng các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng vẫn chưa rõ điều gì điều khiển các cụm và lỗ trống hình thành.
Sẽ cần nhiều công việc hơn để xác định mức độ phức tạp của các cấu trúc hình học đa chiều được hình thành bởi các tế bào thần kinh của chúng ta tương ứng với sự phức tạp của các nhiệm vụ nhận thức khác nhau, nhưng đây chắc chắn là một bước tiến mới để hiểu rõ “linh hồn” của loài người- bộ não.
