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Le cerveau humain est capable de construire des structures avec jusqu'à 11 dimensions


Une étude peu connue publiée l'année dernière dans Frontières de la neuroscience computationnelle regagne du terrain, révélant que les structures du cerveau humain fonctionnent jusqu'à 11 dimensions. L'étude a été menée par le Blue Brain Project, une initiative de recherche suisse.

"Il y a des dizaines de millions de ces objets même dans un petit grain du cerveau, à travers sept dimensions. Dans certains réseaux, nous avons même trouvé des structures avec jusqu'à onze dimensions."

«Nous avons trouvé un monde que nous n'avions jamais imaginé», a déclaré le neuroscientifique Henry Markram, directeur du Blue Brain Project et professeur à l'EPFL à Lausanne, en Suisse.

"Il y a des dizaines de millions de ces objets même dans une petite tache du cerveau, à travers sept dimensions. Dans certains réseaux, nous avons même trouvé des structures avec jusqu'à onze dimensions", a ajouté Markram.

Pour étudier le cerveau humain, l'une des structures les plus complexes au monde, l'équipe a découvert que les mathématiques traditionnelles n'étaient pas efficaces. «Les mathématiques généralement appliquées à l'étude des réseaux ne peuvent pas détecter les structures et les espaces de haute dimension que nous voyons maintenant clairement», a déclaré Markram.

Les chercheurs ont donc décidé d'utiliser la topologie algébrique, une branche des mathématiques concernée par la construction d'invariants algébriques associés à des espaces topologiques qui servent à les distinguer. Le Blue Brain Project a sollicité l'aide des mathématiciens Kathryn Hess de l'EPFL et Ran Levi de l'Université d'Aberdeen pour appliquer cette discipline.

"La topologie algébrique est à la fois comme un télescope et un microscope. Elle peut zoomer sur les réseaux pour trouver des structures cachées - les arbres de la forêt - et voir les espaces vides - les clairières - tout en même temps", a expliqué Hess.

En utilisant cette approche, l'équipe a expérimenté sur un modèle du néocortex publié par le Blue Brain Project en 2015 et sur du tissu cérébral réel chez le rat. Cette technique leur a permis d'étudier les détails du réseau neuronal du cerveau à la fois au niveau des neurones individuels et de la structure cérébrale dans son ensemble.

Cliques et cavités

En stimulant le tissu cérébral virtuel, ils ont découvert que des collections de neurones étroitement connectés, appelés cliques, contenaient des trous de haute dimension, appelés cavités. "L'apparition de cavités de haute dimension lorsque le cerveau traite des informations signifie que les neurones du réseau réagissent aux stimuli de manière extrêmement organisée", a déclaré Levi.

«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 à travers le cerveau ressemble à un château de sable multidimensionnel qui se matérialise hors du sable puis se désintègre », a ajouté Levi.

Les géométries les plus complexes sont allées jusqu'à 11 dimensions. Les chercheurs ont proposé que «le cerveau traite les stimuli en formant des cliques et des cavités fonctionnelles de plus en plus complexes».

L'étude pourrait également éventuellement répondre à une question qui a longtemps échappé aux neurosciences; où le cerveau stocke ses souvenirs. "Ils peuvent" se cacher "dans des cavités de grande dimension", a déclaré Markram.

Ce n'est pas la première fois que des chercheurs utilisent la topologie algébrique pour étudier le cerveau. Une équipe dirigée par Ann Sizemore de l'Université de Pennsylvanie a fait un travail similaire avec des résultats quelque peu similaires.


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