Các nhà nghiên cứu thần kinh đã vận dụng một nhánh toán học cổ điển theo cách hoàn toàn mới để tìm hiểu cấu trúc của bộ não. Điều họ khám phá ra là, bộ não chứa đầy những cấu trúc hình học đa chiều, hoạt động có thể lên tới 11 chiều.

Chúng ta đã quen với việc suy nghĩ về thế giới dưới dạng 3D, vì vậy kiến thức mới này có thể hơi khó tiếp thu với một số người. Nhưng kết quả nghiên cứu này có thể là một nền tảng quan trọng trong việc hiểu nền tảng của bộ não – cấu trúc phức tạp nhất mà chúng ta từng biết.

Mô hình bộ não mới nhất này được nhóm nghiên cứu của dự án Blue Brain của Thụy Sĩ đưa ra, có mục tiêu tái xây dựng bộ não dưới dạng siêu máy tính.

Nhóm đã dùng tôpô đại số (algebraic topology), một nhánh toán học mô tả các tính chất của vật thể và không gian bất chấp chúng có thay đổi hình dạng thế nào đi nữa. Tôpô học cũng chính là chủ đề của giải Nobel Vật lý 2016.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy những nhóm neuron thần kinh kết nối thành những “khối đa liên kết” (clique – 2 điểm bất kỳ của khối đều kết nối với nhau), và số neuron trong nhóm sẽ quyết định kích cỡ và số chiều của cấu trúc hình học.

“Chúng tôi tìm thấy một thế giới mà mình chưa bao giờ tưởng tượng ra,” trưởng nghiên cứu, nhà khoa học thần kinh Henry Markram của viện EPFL của Thụy Sĩ cho biết. “Có hàng chục triệu những vật thể này ngay cả chỉ trong một hạt nhỏ của bộ não, lên tới 7 chiều. Trong một số mạng lưới, chúng tôi còn tìm thấy cấu trúc lên tới 11 chiều.”

Quá phức tạp

Người ta ước tính bộ não của con người có tới 86 tỷ neuron – một con số gây choáng váng, với đa liên kết từ mỗi tế bào tỏa đi mọi hướng có thể, tạo thành một hệ thống mạng lưới tế bào bao la, ảnh hưởng tới việc tư duy và ý thức của chúng ta.

>> Ý thức – “điểm mù” của khoa học đang dần được hé mở

Với số lượng lớn các kết nối như vậy, chẳng trách chúng ta vẫn chưa thể hiểu tường tận cách hoạt động của hệ neuron não bộ.

Để thực hiện kiểm tra bằng toán học, nhóm đã sử dụng mô hình chi tiết của vỏ não (neocortex) mà Dự án Blue Brain đã công bố năm 2015. Đây là phần não được cho là chịu trách nhiệm về nhận thức và cảm nhận giác quan.

Sau khi phát triển khung toán học và kiểm chứng trên một vài kích thích ảo, nhóm cũng xác nhận kết quả trên các mô não thật của chuột.

Bức ảnh này cố gắng minh họa điều không thể minh họa – một vũ trụ gồm những cấu trúc và khoảng không đa chiều. Bên trên là một bản sao kĩ thuật số của vỏ não. Bên dưới là các hình dạng kích thước khác nhau và dạng các hình học, thể hiện các cấu trúc từ 1 – 7 chiều và hơn nữa. “Lỗ đen” ở giữa tượng trưng cho sự phức tạp của không gian và khoảng trống đa chiều. Các nhà nghiên cứu dự án Blue Brain cho biết các nhóm neuron gắn với những khoảng trống này cho thấy mối liên kết bị thiếu giữa cấu trúc và chức năng thần kinh. (ảnh: Blue Brain Project)

Theo các nhà nghiên cứu, tôpô đại số cung cấp công cụ toán học để phân tích chi tiết của mạng thần kinh, vừa ở góc độ cận cảnh của từng neoron, vừa ở góc độ vĩ mô của cả cấu trúc não. Bằng cách kết nối 2 cấp độ này, nhóm có thể hiểu rõ hơn về các cấu trúc hình học đa chiều trong não, được tạo thành bởi những clique liên kết chặt chẽ và khoảng trống giữa chúng.

“Chúng tôi tìm thấy con số cao đáng chú ý, cùng những clique và khoảng trống đa chiều mà chưa từng được nhìn thấy trước đây ở các mạng thần kinh, dù là sinh học hay nhân tạo,” nghiên cứu viết.

“Tôpô hình học giống như sử dụng kính viễn vọng và kính hiển vi cùng một lúc,” nhà toán học Kathryn Hess thuộc EPFL cho biết.

“Nó có thể phóng to vào mạng lưới để tìm các cấu trúc ẩn, các cây trong khu rừng, và thấy những khoảng không, khoảng trống, tất cả cùng một lúc.”

Những khoảng trống này dường như là cực kỳ trọng yếu cho chức năng của bộ não. Khi các nhà nghiên cứu đặt một kích thích lên mô não ảo, họ thấy rằng các neron phản ứng theo một cách cực kỳ có tổ chức.

“Như thể bộ não đã phản ứng với kích thích bằng cách xây dựng [và] sau đó phá hủy một tòa tháp những khối đa chiều, bắt đầu từ các cột (1D), các tấm (2D), rồi các hình hộp (3D) và sau đó tới những dạng hình học phức tạp hơn 4D, 5D…” nhà toán học Ran Levi của ĐH Aberdeen, Scotland cho biết.

“Các hoạt động diễn tiến trong não giống như một lâu đài cát đa chiều, hình thành từ những hạt cát rồi sau đó lại tan rã.”

TAMTHUC

Những khám phá này mang đến một hình ảnh mới đầy cuốn hút về cách bộ não xử lý thông tin, nhưng các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng vẫn chưa rõ điều gì làm cho các nhóm và khoảng trống hình thành dạng cực kỳ đặc thù như vậy.

Sẽ cần thêm nhiều nghiên cứu nữa để xem các dạng hình học đa chiều phản ứng với những kiểu tư duy phức tạp khác nhau như thế nào, và trong tương lai trước mắt thì bộ não vẫn là cơ quan bí ẩn nhất của cơ thể chúng ta.

Theo Futurism,
Phong Trần

TAMTHUC:

• Sự tương đồng kỳ lạ giữa bộ não và vũ trụ
• Nghiên cứu khoa học về ‘Con mắt thứ ba’ – P2: Con mắt thoái hóa trong bộ não người