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Nuestra imagen mental del espacio parece expandirse como el universo: ScienceAlert

Dentro de tu cerebro hay un mapa de cada habitación en la que has dormido. Todas las cocinas en las que he cocinado. Cada ciudad en la que trabajaste, cada país en el que vacacionaste. Incluso hay un mapa en mal estado de todos los universos con los que alguna vez has soñado.

Comprimir esta enorme cantidad de información detallada en un pequeño tejido de neuronas es posible gracias a algunas matemáticas muy inteligentes, Según un estudio en el cerebro de ratones realizado por investigadores en los Estados Unidos.

Estos patrones recientemente descubiertos de disposición de las células cerebrales que capturan representaciones mentales del espacio físico no solo revelan cómo nuestro cerebro almacena ciertos tipos de datos, sino que también pueden proporcionar información sobre las ocasiones en que la memoria y el mapeo fallan.

Ingrese a una habitación por primera vez y su cerebro reclutará neuronas que mapearán rápidamente el espacio. estas colocar celdas No están necesariamente dispuestos de ninguna manera para reflejar la habitación, pero su brillo coordinado aún sirve como una forma de ubicarnos dentro de un área física.

Dispuestas en redes llamadas campos de lugar, estas celdas se reorganizan con frecuencia a medida que nos acostumbramos al espacio, lo que contribuye a una red de celdas cada vez más rica que se ondula con respuestas interconectadas a medida que el espacio que te rodea se vuelve más familiar.

La forma en que esta jerarquía de actividades interrelacionadas se desarrolla y opera hasta ahora ha sido principalmente especulativa, al menos desde un punto de vista matemático.

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En un nuevo estudio dirigido por la neurobióloga computacional Tatiana Sharpe del Instituto Salk de Estudios Biológicos, los investigadores investigaron la actividad de las neuronas en parte del hipocampo Son los ratones los que son críticos para su memoria espacial.

usando un método desarrollado previamente Para estudiar las células de lugar en ratones mientras corren en laberintos, los investigadores pusieron a prueba a un puñado de roedores adultos en una pista recta de 48 metros (157 pies), durante la cual se registró su actividad neuronal a medida que completaban su carrera.

Hay varias formas en las que se puede diseñar una serie de mensajes para que pasen a través de la red, dependiendo de la proximidad física o de las formas en que las diferentes celdas coincidan en respuesta.

El mejor modelo para analizar una jerarquía de señales a través de una red de células de lugar en ratones fue un tipo de geometría descrita como una hipérbola que, irónicamente, no es la geometría más fácil que nuestros cerebros pueden visualizar.

Imagine, si quiere, un edificio de oficinas típico con un jefe en la parte superior, sentado solo en un piso para él solo. Los ejecutivos por debajo del presidente tienen oficinas elegantes. Debajo de ellos, los mandos intermedios están relegados a alas ligeramente más pequeñas. Y abajo, toda una masa de trabajadores amontonados en un suelo repleto de cabinas.

Esta jerarquía «lineal» rápidamente se queda sin espacio para todos a medida que baja los pisos y agrega secciones adicionales.

Sin embargo, una torre de oficinas construida con geometría hiperbólica no tendría problemas para acomodar nuevas secciones en los pisos inferiores, que se vuelven exponencialmente más grandes, con un conjunto diferente de bases en los ángulos de intersección que forman las líneas a medida que se conectan a diferentes componentes.

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Jerarquía hiperbólica, representada como un círculo plano. (Zhang et al. Comunicaciones de la naturaleza2022)

Si bien podríamos usar el ejemplo anterior para representar la jerarquía hiperbólica en el espacio plano, en una realidad dimensional completa, todos estos triángulos tendrían el mismo tamaño (sí, tratar de imaginar que eso dañaría tu cerebro). Entonces, si esto fuera una pieza de material, los bordes exteriores estarían doblados con su exceso de circunferencia, Como un sombrero flexible.

Las jerarquías hiperbólicas usan matemáticas similares para describir las relaciones entre diferentes puntos de actividad en una serie de procesos, lo que permite una forma más eficiente de detallar distancias y objetos en nuestra mente cuando nos imaginamos en el espacio.

Aquí, los investigadores observaron las matemáticas de cómo los pequeños campos de células de lugar se generaron rápidamente cuando los ratones se introdujeron en un nuevo espacio y se convirtieron en campos más complejos de acuerdo con la expansión logarítmica a lo largo del tiempo.

Jerarquía de grupos de neuronas
Una jerarquía hiperbólica que representa grupos de neuronas (nodos) asignados a campos de lugar, donde los diferentes colores representan diferentes propiedades de las celdas de lugar. (Zhang et al. Comunicaciones de la naturaleza2022)

«Nuestro estudio muestra que el cerebro no siempre funciona de forma lineal. En cambio, las redes neuronales funcionan a lo largo de una curva en expansión, que puede analizarse y comprenderse mediante la geometría hiperbólica y la teoría de la información». Dice Sharpie.

estudios recientes Los sistemas olfativos que se encuentran en la biología también siguen una jerarquía hiperbólica, lo que permite que los animales clasifiquen los olores de formas mucho más complejas y diversas que el método lineal de agrupar los olores.

Los investigadores detrás del nuevo estudio argumentan que las representaciones hiperbólicas en nuestra conciencia espacial se adaptan mejor a la reorganización que viene con un mapa mental en crecimiento, confiando únicamente en la información disponible. Localizar la posición del objeto en el espacio también es más preciso que si el mapa se desarrollara de acuerdo con un modelo lineal.

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Medir efectos similares en humanos puede informar modelos de enfermedades, particularmente en áreas de la neurociencia relacionadas con la memoria y la conciencia espacial.

A nivel poético, hay belleza en saber que la expansión de nuestro universo mental refleja la expansión infinita de nuestro mundo físico. Si bien todos los signos hasta ahora indican que nuestro universo tiene una forma plana, hay modelos que especula si la geometría general del espacio-tiempo tiene una curvatura exacta.

«Se podría pensar que la geometría hiperbólica solo se aplica a una escala cósmica, pero eso no es cierto». Dice Sharpie.

«Nuestros cerebros funcionan mucho más lento que la velocidad de la luz, lo que puede ser una razón para observar efectos deterministas en espacios comprensibles en lugar de espacios cósmicos. A continuación, nos gustaría aprender más sobre cómo crecen e interactúan estas representaciones hiperbólicas dinámicas en el cerebro. y comunicarse entre sí.”

Esta investigación ha sido publicada en Neurociencia natural.