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对于大多数人而言， 理解四维空间都要充分发挥思维想象力。 然而， 近日一项新研究表明： 大脑中的结构具有11个维度！ 这项开创性的研究揭示了大脑最深层的“建筑秘密”。
稳住，先来简单科普一下“蓝脑计划”： 蓝脑计划是由瑞士科学家设想的一个复制人类大脑的计划，以达到治疗阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的目的。蓝脑计划开始于2005年，主要研究对象集中在人类思考和记忆方面，通过对大脑运行过程的精确模拟，科学家还可以揭开隐藏在精神失常背后的秘密。2009年8月11日，负责蓝脑计划的科学家宣称，他们有望在2020年左右制造出科学史上第一台会“思考”的机器，它将可能拥有感觉、痛苦、愿望甚至恐惧感。
下面回到这条不可思议令人蒙圈儿的研究……
这张看似无法成像的图片呈现了一个多维结构和空间的宇宙。左侧是大脑皮层一部分的数字副本，是大脑中最发达的部位；右侧是用大小不一的形状和几何图形来表示从1维到7维及以上的结构；中间的“黑洞”用于表示一个复杂的多维空间，或者说一个“空洞”。 “蓝脑计划”的一个研究团队用代数拓扑方法（之前从未被用于神经科学）揭示了大脑网络中有一个多维几何结构和空间的宇宙。这项发表于《计算神经科学前沿》的研究发现，当一组神经元形成一个小团体时就会出现这种结构：每个神经元以非常特定的方式与小团体中的其他每个神经元连接，生成一个精确的几何对象。小团体中的神经元越多，几何对象的维度就越高。 “蓝脑计划”主任、瑞士洛桑联邦理工学院教授、神经学家Henry Markram说道：“我们发现了一个从未想象过的世界。即使在大脑的一个小斑点中也存在数千万个这样的对象，在某些网络中，我们甚至发现了高达11个维度的结构。通常应用于研究网络的数学并不能检测到我们现在看到的高维度结构和空间。” Markram认为这正解释了为什么大脑如此难以理解的原因。
如果4维世界已经超乎我们的想象，那么5维、6维或者更高维度对于大多数人而言就更难以理解了。这就是代数拓扑的用武之地:一个可以描述任意维度系统的数学分支。那么，是谁将代数拓扑引入到蓝脑计划的脑网络研究中的呢？那就是来自瑞士洛桑联邦理工学院的数学家Kathryn Hess和来自英国阿伯丁大学的数学家Ran Levi。Hess解释道：“代数拓扑就像是望远镜和显微镜一样，可以放大网络找到隐藏的结构，就如同找到森林中的树木，并且能同时看到空白的空间。” 蓝脑在2015年公布了新大脑皮层的第一个数字副本——大脑中最发达的部位，也是感觉，动作和意识的位置所在。在这项最新研究中，研究者利用代数拓扑对虚拟脑组织进行了多重检验，来证实发现的多维脑结构绝对不可能是偶然产生的。随后在洛桑的湿实验室进行了真正的大脑组织实验，确认了在虚拟组织中的早期发现是生物学相关的，也表明大脑在发育过程中不断地重新连接，以构建尽可能多的高维度结构网络。
当研究人员向虚拟脑组织进行刺激时，不断增多的更高维度的小团体瞬间组合以包围高维空洞。Levi指出：“当大脑处理信息时，高维空洞的出现意味着网络中的神经元以非常有组织的方式对刺激做出反应。这就像大脑通过构建再破坏一个多维积木塔一样反应刺激，从条（1D）、板（2D）、立方体（3D），然后到更复杂的几何形状（4D、5D等）。通过大脑活动的进展类似于一个多维的沙堡，使沙子成形物化，然后崩溃瓦解。 目前研究人员面临的一个大问题是，我们可以执行的任务的复杂性是否取决于大脑可以建立的多维“沙堡”的复杂性。神经科学也一直在努力寻找大脑存储其记忆的地方。“它们可能隐藏在高维空洞中。”Markram推测道。 |
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