Mózg ssaków jest zdumiewającym procesorem informacji. Miliony lat ewolucyjnego majsterkowania stworzyły struktury sieciowe, które są szybkie, wydajne i zdolne do ekstremalnej złożoności. Neuronaukowcy starają się jak najlepiej zrozumieć tę strukturę, która jest, co zrozumiałe, skomplikowana, a więc trudna. Ale postęp jest stały.
Niedawne badanie pokazuje, jak złożone mogą być te badania. Naukowcy przyglądali się geometrii aktywacji neuronów w części mózgu, która zapamiętuje informacje przestrzenne – regionie CA1 hipokampu. Jest to część mózgu, w której znajdują się neurony miejsca – te, które są aktywowane przez przebywanie w określonej przestrzeni. Chcieli wiedzieć, w jaki sposób rosną sieci nakładających się neuronów miejsca, gdy szczury badają swoje środowisko. To, co odkryli, nie było zaskakujące, biorąc pod uwagę wcześniejsze badania, ale jest niezwykle interesujące.
Z psychologicznego punktu widzenia mamy tendencję do liniowego odchylenia w sposobie, w jaki myślimy o informacjach. Dotyczy to również odległości. Wydaje się, że niełatwo (przynajmniej intuicyjnie) radzimy sobie ze skalami geometrycznymi czy logarytmicznymi. Ale często informacja jest geometryczna. Jeśli chodzi o mózg, informacje i przestrzeń fizyczna są ze sobą powiązane, ponieważ informacje neuronowe są przechowywane w fizycznym połączeniu neuronów ze sobą. Pozwala to neurobiologom przyjrzeć się, w jaki sposób sieci mózgowe „odwzorowują” fizycznie swoją funkcję.
W obecnym badaniu neuronaukowcy przyjrzeli się aktywności neuronów miejsca, gdy szczury badały swoje środowisko. Odkryli, że szczury musiały spędzić pewną ilość czasu w danym miejscu, zanim neuron miejsca został „przypisany” do tego miejsca (został aktywowany przez to miejsce). W miarę jak szczury spędzały więcej czasu w określonym miejscu, zbierając więcej informacji, liczba neuronów miejsca wzrastała. Wzrost ten nie był jednak liniowy, lecz hiperboliczny. Hiperboliczny odnosi się do ujemnie zakrzywionej przestrzeni, jak klepsydra z punktem początkowym w środku.
Innym sposobem wizualizacji tego jest drzewo decyzyjne, w którym każdy poziom w hierarchii decyzji prowadzi do wielu wyborów. Dlatego liczba wyborów nie rośnie z każdym poziomem z 2 do 3 do 4 (liniowo), ale z 2 do 4 do 8 (geometrycznie). Podobnie, liczba nowych neuronów miejsca rekrutowanych do rozszerzającej się sieci jest określona przez wielkość krawędzi rozszerzającej się przestrzeni, która rośnie geometrycznie. Może to być ogólne lub przynajmniej powszechne zjawisko w mózgu, ponieważ podobną geometrię odkryto podczas badania sposobu, w jaki szczury kodują informacje węchowe – geometryczne rozszerzenie sieci mapującej „przestrzeń” zapachową.
Oznacza to, że mózgi ssaków kodują informacje, przynajmniej w niektórych funkcjach, w sposób, który w naturalny sposób pozwala na geometryczną ekspansję informacji w miarę fizycznego rozszerzania się sieci. W tym przypadku kształt tego rozszerzenia jest zakrzywiony ujemnie, a zatem hiperboliczny. Jeśli chodzi o informacje o lokalizacji, ilość przechowywanych informacji zwiększała się geometrycznie wraz z upływem czasu. W rzeczywistości, nawet jeśli szczury poruszały się nieco wolniej w danej lokalizacji, rozmiar ich rozszerzającej się sieci związanej z tą lokalizacją był mierzalnie większy.
Tylko z punktu widzenia teorii informacji ma to sens. W każdej sieci dodanie nowych węzłów, które łączą się z wieloma innymi węzłami, geometrycznie zwiększa liczbę nowych połączeń i możliwych ścieżek.
Interesujące jest również zastanowienie się, w jaki sposób ta podstawowa funkcja kodowania informacji o miejscu odnosi się do naszego subiektywnego doświadczenia. Sam zdecydowanie zauważam dramatyczną różnicę w tym, jak dobrze pamiętam lokalizacje na podstawie tego, ile czasu tam spędziłem. Zdarzyło mi się też, że miejsce „przypomniało się” – nagle dokładnie wiem, gdzie jestem, a przed chwilą byłem zgubiony. Zwykle dzieje się tak, gdy podróżujesz w umiarkowanie znajomym miejscu, ale przyjeżdżasz z innego kierunku niż zwykle.
Poza tym moje wspomnienia z dzieciństwa są o wiele bardziej żywe niż cokolwiek z mojego dorosłego życia. Mogę wizualnie spacerować po posiadłości i domu z dzieciństwa z żywymi szczegółami – nawet łatwiej niż w obecnym domu, w którym mieszkam od 20 lat. W rzeczywistości mój dom z dzieciństwa jest częstszym miejscem zapamiętanych snów niż mój obecny dom. Psychologowie odkryli, że może to dotyczyć wspomnień powstałych w wieku od 5 do 12 lat, być może w wyniku faktu, że nasze mózgi wciąż się rozwijają, a my kształtujemy naszą podstawową tożsamość. Inni spekulowali, że może to być powód, dla którego tak wielu ludzi kocha muzykę i inne aspekty kultury z czasów swojej młodości (i dlaczego przemysł filmowy tak bezlitośnie wykorzystuje tę nostalgię).
Ale być może prawdą jest również to, że drzewo sieci komórek miejsca, które kodują mój dom z dzieciństwa, jest po prostu rozległe, bardziej rozległe niż jakakolwiek podobna sieć, którą mogę stworzyć jako osoba starsza. A ten wzrost rozmiaru odnosi się do geometrycznego wzrostu informacji. Mój mózg może po prostu przechowywać o rząd wielkości więcej informacji o moim rodzinnym domu niż w jakimkolwiek innym miejscu. Z pewnością tak się to odczuwa.
Brain Uses Hyperbolic Geometry
NeuroLogica Blog, 6 stycznia 2023
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
*Steven Novella
Neurolog, wykładowca na Yale University School of Medicine. Przewodniczący i współzałożyciel New England Skeptical Society. Twórca popularnych (cotygodniowych) podkastów o nauce The Skeptics’ Guide to the Universe. Jest również dyrektorem Science-Based Medicine będącej częścią James Randi Educational Foundation (JREF), członek Committee for Skeptical Inquiry (CSI) oraz członek założyciel Institute for Science in Medicine. Prowadzi blog Neurologica.
| Chief editor: | Hili |
| Webmaster:: | Andrzej Koraszewski |
| Collaborators: | Jacek Chudziński, Hili, Małgorzata Koraszewska, Andrzej Koraszewski, Henryk Rubinstein |