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Data documento:24-08-2017

Insight into brain’s complexity revealed thanks to new applications of mathematics
Informazioni sulla complessità del cervello rivelate grazie a nuove applicazioni della matematica

The lack of a formal link between neural network structure and its emergent function has hampered our understanding of how the brain processes information.
La mancanza di un legame formale tra la struttura della rete neurale e la sua funzione emergente ci ha impedito di capire l’elaborazione delle informazioni da parte del cervello.

The discovery of a mathematical framework to describe the emergent behaviour of the network in terms of its underlying structure comes one step closer.
La scoperta di un quadro matematico per descrivere il comportamento emergente della rete in termini della sua struttura sottostante fa avanzare la ricerca.

A new approach to neuroscience based on mathematics is helping to reveal a universe of multi-dimensional geometrical structures and spaces within the networks of the brain.
Un nuovo approccio alla neuroscienza basato sulla matematica sta aiutando a svelare un universo di strutture geometriche e spazi multi-dimensionali all’interno della rete del cervello.

EU support has helped researchers to come closer to describing such a link by taking the direction of synaptic transmission into account, constructing graphs of a network that reflect the direction of information flow.
Il sostegno dell’UE ha aiutato i ricercatori a fare passi avanti nella descrizione di questo legame tenendo conto della direzione della trasmissione sinattica, costruendo grafici di una rete che riflette la direzione del flusso di informazioni.

The team then analysed these directed graphs using algebraic topology.
Il team ha poi analizzato questi grafici diretti usando la topologia algebrica.

The need to understand geometric structures is ubiquitous in science and has become an essential part of scientific computing and data analysis.
Il bisogno di capire le strutture geometriche è onnipresente nella scienza ed è diventato una parte essenziale del calcolo scientifico e dell’analisi dei dati.

>>>  Algebraic topology offers the unique advantage of providing methods to describe, quantitatively, both local network properties and the global network properties that emerge from local structure.
La topologia algebrica offre il vantaggio unico di fornire metodi per descrivere, quantitativamente, sia le proprietà della rete locale che le proprietà della rete globale che emergono dalla struttura locale.

As the researchers working on the Blue Brain project explain in a paper, ‘Cliques of Neurons Bound into Cavities Provide a Missing Link between Structure and Function’, while graph theory has been used to analyse network topology with some success, current methods are usually constrained to establishing how local connectivity influences local activity or global network dynamics.
Come spiegano i ricercatori impegnati nel progetto Blue Brain in un articolo, “Cliques of Neurons Bound into Cavities Provide a Missing Link between Structure and Function” (Gruppi di neuroni legati in cavità forniscono l’anello mancante tra la struttura e la funzione), benché la teoria dei grafi sia stata usata per analizzare la topologia delle reti ottenendo un certo successo, i metodi attuali si limitano soprattutto a stabilire come la connettività locale influenza l’attività locale o le dinamiche delle reti globali.

Their work reveals structures in the brain with up to eleven dimensions, exploring the brain’s deepest architectural secrets.
Il loro lavoro rivela strutture nel cervello con fino a undici dimensioni ed esplora i più profondi segreti architettonici del cervello.

‘We found a world that we had never imagined,’ says neuroscientist Henry Markram, director of Blue Brain Project.
“Abbiamo trovato un mondo che non avevamo mai immaginato,” dice il neuroscienziato Henry Markam, direttore del Blue Brain Project.

‘There are tens of millions of these objects even in a small speck of the brain, up through seven dimensions.
“Ci sono decine di milioni di questi oggetti anche in un piccolo puntino del cervello, con fino a sette dimensioni.

In some networks, we even found structures with up to eleven dimensions.’
In alcune reti, abbiamo trovato strutture con fino a undici dimensioni.”

As the complexity increases the algebraic topology comes into play, being a branch of mathematics that can describe systems with any number of dimensions.
Man mano che la complessità aumenta la topologia algebrica entra in gioco, essendo una branca della matematica che può descrivere sistemi con qualsiasi numero di dimensioni.

Researchers describe algebraic topology as being like a microscope and a telescope at the same time, zooming into networks to find hidden structures and seeing the empty spaces.
I ricercatori descrivono la topologia algebrica come simile a un microscopio e a un telescopio allo stesso tempo, che allarga l’immagine per trovare nelle reti strutture nascoste e vedere gli spazi vuoti.

As a result, they found what they describe in their paper as a remarkably high number and variety of high-dimensional directed cliques and cavities.
Di conseguenza, hanno scoperto quello che descrivono nei loro articoli come un numero e una varietà notevolmente alti di gruppi e cavità alto-dimensionali diretti.

These had not been seen before in neural networks, either biological or artificial and were identified in far greater numbers than those found in various null models of directed networks. Questi non erano mai stati visti prima in reti neurali, sia biologiche che artificiali, ed erano stati identificati in numeri molto più grandi rispetto a quelli trovati in vari modelli nulli di reti dirette.

The study also offers new insight into how correlated activity emerges in the network and how the network responds to stimuli.
Lo studio offre anche nuove informazioni su come un’attività correlata emerge nella rete e come la rete risponde agli stimoli.

Partial support was provided by the GUDHI (Algorithmic Foundations of Geometry Understanding in Higher Dimensions) project, supported by an Advanced Investigator Grant from the EU.
Il sostegno è stato in parte fornito dal progetto GUDHI (Algorithmic Foundations of Geometry Understanding in Higher Dimensions), finanziato dall’UE con una sovvenzione per ricercatori esperti.

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Source: Based on project information and media reports
Fonte: Sulla base di informazioni diffuse dal progetto e segnalazioni dei media