科学家在人脑中发现了多维“宇宙”:一个高达11维的神秘结构

人类大脑被认为是自然界最复杂、最奇妙、最不可思议的产物之一。它由近860亿个神经元组成，并且每个神经元都能与其他数千个甚至数万个神经元相互连接，形成了一个庞大而复杂的网络。这个网络能够处理各种信息，产生各种思想，控制各种行为，甚至创造出各种艺术和文化。

人类大脑的能力之所以如此惊人，很大程度上是因为它具有高度的可塑性和灵活性。它能够根据外界的刺激和内部的需求不断地调整自己的结构和功能，从而适应不同的环境和任务。

但是人类大脑是否有限呢？它是否有一个固定的维度或者规模，会不会超过了就无法再进化或者改变呢？科学家们一直在寻找这个问题的答案，但是由于大脑结构的复杂性和多样性，他们很难用传统的方法来探索它。

近日，一项新研究为我们提供了一个全新的视角来看待人类大脑。这项研究由瑞士“蓝脑计划”领导，并发表在《Frontiers in Computational Neuroscience》杂志上。该项目旨在利用超级计算机重建人类大脑，并用数学方法来揭示其隐藏的规律和模式。

该研究团队使用了一种叫做代数拓扑学（algebraic topology）的数学分支来分析人类新皮质（neocortex）中神经元之间的连接方式。新皮质是我们大脑最近进化出来的部分，并且涉及到一些高阶功能，比如认知、感觉、语言等。

代数拓扑学是一门用来描述对象和空间在形状变化时不变性质的数学分支。它可以帮助我们发现隐藏在复杂数据中地模式和结构。例如，在三维空间中，一个圆环、一个咖啡杯、一个甜甜圈都具有相同地拓扑特征——它们都只有一个洞。如果我们把这些物体拉伸或者压缩，它们地形状会改变，但是它们地拓扑特征不会改变。

科学家们利用代数拓扑学来分析神经元之间的连接方式，并发现了令人震惊的结果：他们发现，在每个神经元团块内部地神经元之间存在着非常强烈地同步活动，并且这些团块会组合成更大的团块，并以此类推。最终，在整个新皮质中形成了高达11维度的几何结构！

什么意思呢？我们先从简单地例子开始理解一下什么叫做维度。首先想象一下一个点——这就是零维对象。如果你把两个点连接起来，你就得到了一条线——这就是一维对象。如果你把四条线连接起来，你就得到了一个正方形——这就是二维对象。如果你把六个正方形连接起来，你就得到了一个立方体——这就是三维对象。

四维空间

现在想象一下，在每个角落里都有四个立方体。如果你把它们所有地角落连接起来，你就得到了一个四维对象——也就是说，在每个角落里都有八个立方体。这种方法可以无限地扩展到更高地维度。但是当我们超过三维时，我们就很难用直观地方式来描绘这些形状了，而代数拓扑学可以帮助我们发现隐藏在复杂数据中地模式和结构。

当然，在真实地大脑中，并不是所有的神经元都是相互连接的。但科学家们发现，在每个神经元团块内部地神经元之间存在着非常强烈地同步活动，并且这些团块会组合成更大地团块，并以此类推。

大脑复杂的神经元

“我们发现神经元与其周围环境之间存在着非常精确地几何关系。他们知道自己要与哪些邻居、哪些合作伙伴、哪些沟通者联系。”马克拉姆说。

“最令人惊讶地是，在处理高度非线性信息时——也就是说，在处理大脑所做地事情时——更多地神经元会导致更多地维度。”

科学家们还发现当它们刺激大脑区域时，某些高维几何结构会出现并消失，在毫秒级别上显示出复杂而变化无常的建筑物。

这意味着这些结构可能对于网络功能至关重要，也许他们甚至能够解释为什么大脑比任何计算机都要快速而有效。

“代数拓扑学只是开始揭示神经系统可能隐藏着令人难以置信而普遍存在的数学美感。”马克拉姆说。

这项研究为我们展示了人类大脑的惊人之处，也为我们提出了新的挑战和问题。比如人类大脑是否有上限呢？它是否能够在更高的维度上运作呢？它是否能够创造出超越我们想象力的东西呢？

关于这些我们还没有答案。

或许，正如爱因斯坦所说：

“只有两件事是无限的：宇宙和人类的愚蠢。不过，对于前者我还不太确定。”