Le cerveau humain construit des structures jusqu’à 11 dimensions, d’après les scientifiques

Le cerveau continue de nous surprendre par sa magnifique complexité. Des recherches révolutionnaires qui combinent neurosciences et mathématiques nous apprennent que notre cerveau crée des structures neuronales jusqu’ à 11 dimensions lorsqu’il traite l’information. Par « dimensions », ils désignent des espaces mathématiques abstraits et non d’autres domaines physiques. Pourtant, les chercheurs  » ont trouvé un monde que nous n’avions jamais imaginé « , a déclaré Henry Markram, directeur du Blue Brain Project, qui a fait la découverte.

L’objectif du Blue Brain Project, basé en Suisse, est de créer numériquement une simulation « biologiquement détaillée » du cerveau humain. En créant des cerveaux numériques dotés d’un niveau « sans précédent » d’information biologique, les scientifiques visent à faire progresser notre compréhension du cerveau humain incroyablement complexe, qui compte environ 86 milliards de neurones.

Pour avoir une vision plus claire de la façon dont un tel immense réseau fonctionne pour former nos pensées et nos actions, les scientifiques ont employé des supercalculateurs et une branche particulière de mathématiques. L’équipe a basé ses recherches actuelles sur le modèle numérique du néocortex qu’elle a terminé en 2015. Ils ont sondé la façon dont ce néocortex numérique a répondu en utilisant le système mathématique de la topologie algébrique. Cela leur a permis de déterminer que notre cerveau crée constamment des formes géométriques multidimensionnelles très complexes et des espaces qui ressemblent à des « châteaux de sable ».

Sans utiliser la topologie algébrique, une branche des mathématiques qui décrit les systèmes avec un nombre quelconque de dimensions, la visualisation du réseau multidimensionnel était impossible.

En utilisant l’approche mathématique novatrice, les chercheurs ont pu constater le haut degré d’organisation de ce qui semblait auparavant être des modèles « chaotiques » de neurones.

« La topologie algébrique est comme un télescope et un microscope en même temps. Il peut zoomer dans les réseaux pour trouver des structures cachées – les arbres de la forêt – et voir les espaces vides – les clairières – tout à la fois », a déclaré l’auteure de l’étude, Kathryn Hess.

Les scientifiques ont d’abord effectué des tests sur les tissus virtuels du cerveau qu’ils ont créés, puis ont confirmé les résultats en faisant les mêmes expériences sur les tissus réels du cerveau de rats.

Lorsqu’ils sont stimulés, les neurones virtuels forment une clique, chaque neurone étant relié à un autre de telle sorte qu’un objet géométrique spécifique se forme. Un grand nombre de neurones ajouterait d’autres dimensions, qui dans certains cas atteignaient 11. Les structures s’organisaient autour d’un trou de haute dimension que les chercheurs appelaient une « cavité« . Après que le cerveau a traité l’information, la clique et la cavité ont disparu.

Gauche: copie numérique d’une partie du néocortex, la partie la plus évoluée du cerveau.
A droite: formes de différentes tailles et géométries qui représentent des structures allant de 1 dimension à 7 dimensions et plus.
Le « trou noir » au centre symbolise un complexe d’espaces multidimensionnels appelés cavités.

Le chercheur Ran Levi a expliqué en détail comment ce processus fonctionne:

« L’apparition de cavités de haute dimension lorsque le cerveau traite l’information signifie que les neurones du réseau réagissent de manière extrêmement organisée aux stimuli. C’est comme si le cerveau réagissait à un stimulus en construisant puis en rasant une tour de blocs multidimensionnels, en commençant par des tiges (1D), puis des planches (2D), puis des cubes (3D), puis des géométries plus complexes avec 4D, 5D, etc. La progression de l’activité dans le cerveau ressemble à un château de sable multidimensionnel qui se matérialise hors du sable et se désintègre. »

L’importance de cette découverte réside dans le fait qu’elle nous permet de mieux comprendre « l’un des mystères fondamentaux des neurosciences – le lien entre la structure du cerveau et la façon dont il traite l’information », a expliqué Kathryn Hess dans une entrevue accordée à Newsweek.

Les scientifiques cherchent à utiliser la topographie algébrique pour étudier le rôle de la « plasticité » qui est le processus de renforcement et d’affaiblissement des connexions neuronales lorsqu’il est stimulé – un élément clé dans la façon dont notre cerveau apprennent. Ils voient une application plus poussée de leurs découvertes dans l’étude de l’intelligence humaine et la formation des mémoires.

La recherche a été publiée dans Frontiers in Computational Neuroscience.

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