Neurociencia

Los científicos descubren un universo multidimensional en redes cerebrales humanas.

Para la mayoría de las personas, es una extensión de la imaginación entender el mundo en cuatro dimensiones, pero un nuevo estudio ha descubierto estructuras en el cerebro con hasta once dimensiones, un trabajo innovador que está comenzando a revelar los secretos arquitectónicos más profundos del cerebro.

Utilizando la topología algebraica de una manera que nunca antes se había utilizado en neurociencia, un equipo del Proyecto Blue Brain ha descubierto un universo de estructuras y espacios geométricos multidimensionales dentro de las redes del cerebro.

La investigación, muestra que estas estructuras surgen cuando un grupo de neuronas forma una camarilla: cada neurona se conecta con todas las demás neuronas del grupo de una manera muy específica que genera un objeto geométrico preciso. Cuantas más neuronas haya en una camarilla, mayor será la dimensión del objeto geométrico.

«Encontramos un mundo que nunca habíamos imaginado», dice el neurocientífico Henry Markram, director de Blue Brain Project y profesor de la EPFL en Lausana, Suiza, «hay decenas de millones de estos objetos incluso en una pequeña mota del cerebro, hasta siete dimensiones. En algunas redes, incluso encontramos estructuras con hasta once dimensiones».

Markram sugiere que esto puede explicar por qué ha sido tan difícil entender el cerebro. «Las matemáticas que generalmente se aplican a las redes de estudio no pueden detectar las estructuras y espacios de alta dimensión que ahora vemos claramente».

Si los mundos 4D estiran nuestra imaginación, los mundos con 5, 6 o más dimensiones son demasiado complejos para que la mayoría de nosotros los comprendamos. Aquí es donde entra en juego la topología algebraica: una rama de las matemáticas que puede describir sistemas con cualquier cantidad de dimensiones. Los matemáticos que llevaron la topología algebraica al estudio de las redes cerebrales en el Proyecto Blue Brain fueron Kathryn Hess de EPFL y Ran Levi de la Universidad de Aberdeen.

«La topología algebraica es como un telescopio y un microscopio al mismo tiempo. Puede acercarse a las redes para encontrar estructuras ocultas, los árboles en el bosque, y ver los espacios vacíos, los claros, todo al mismo tiempo», explica Hess.

En 2015, Blue Brain publicó la primera copia digital de una pieza de la neocorteza, la parte más evolucionada del cerebro y el asiento de nuestras sensaciones, acciones y conciencia. En esta última investigación, utilizando la topología algebraica, se realizaron múltiples pruebas en el tejido cerebral virtual para mostrar que las estructuras cerebrales multidimensionales descubiertas nunca podrían producirse por casualidad. 

Luego se realizaron experimentos en tejido cerebral real en el laboratorio húmedo de Blue Brain en Lausana, lo que confirma que los descubrimientos anteriores en el tejido virtual son biológicamente relevantes y también sugiere que el cerebro se reconecta constantemente durante el desarrollo para construir una red con tantas estructuras de alta dimensión como sea posible.

Cuando los investigadores presentaron un estímulo al tejido cerebral virtual, las camarillas de dimensiones progresivamente más altas se reunieron momentáneamente para encerrar agujeros de alta dimensión, que los investigadores denominan cavidades. «La aparición de cavidades de alta dimensión cuando el cerebro procesa información significa que las neuronas en la red reaccionan a los estímulos de una manera extremadamente organizada», dice Levi. 

«Es como si el cerebro reaccionara a un estímulo construyendo y luego arrasando una torre de bloques multidimensionales, comenzando con varillas (1D), luego tablones (2D), luego cubos (3D) y luego geometrías más complejas con 4D, 5D, etc. La progresión de la actividad a través del cerebro se asemeja a un castillo de arena multidimensional que se materializa en la arena y luego se desintegra».

La gran pregunta que se hacen estos investigadores ahora es si la complejidad de las tareas que podemos realizar depende de la complejidad de los «castillos de arena» multidimensionales que el cerebro puede construir. La neurociencia también ha estado luchando para encontrar dónde el cerebro almacena sus recuerdos. «Pueden estar ‘escondidos’ en cavidades de alta dimensión», especula Markram.

Mayor información en: Michael W. Reimann, Max Nolte et al «Cliques of Neurons Bound into Cavities Provide a Missing Link between Structure and Function» Frontiers of Computational Neuroscience, Published: 12 June 2017.

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