Une étude récente publiée dans la revue Frontiers of Computational Neuroscience suggère que des réseaux du cerveau peuvent créer des structures en onze dimensions. C’est difficile à appréhender, mais pas surprenant de la part du cerveau, l’objet le plus complexe de l’Univers connu.

Une équipe de neuroscientifiques du Blue Brain Project, une initiative de recherche suisse consacrée à la reconstruction par ordinateur du cerveau humain, annonce avoir utilisé une branche classique des mathématiques d’une manière totalement nouvelle pour regarder la structure de notre cerveau. L’étude suggère que le cerveau serait rempli de structures géométriques multidimensionnelles fonctionnant jusqu’à onze dimensions.

« Nous avons découvert un monde que nous n’avions jamais imaginé », explique Henry Markram, directeur de Blue Brain Project et professeur de l’EPFL à Lausanne. « Il existe des dizaines de millions de ces objets dans un petit segment du cerveau pouvant fonctionner jusqu’à sept dimensions. Dans certains réseaux, nous avons même trouvé des structures jusqu’à onze dimensions ».

L’équipe explique avoir utilisé la topologie algébrique, une branche mathématique utilisée pour décrire les propriétés des objets et des espaces indépendamment de la façon dont ils changent de forme. Ils ont alors constaté que des groupes de neurones se connectent en « cliques » : chaque neurone se connecte à tous les autres neurones du groupe d’une manière très spécifique qui génère un objet géométrique précis. Plus il y a de neurones dans une clique, plus la dimension de l’objet géométrique est élevée.

Si les mondes en quatre dimensions défient notre imagination, les mondes en cinq, six ou plus de dimensions sont trop complexes pour que nous les comprenions, mais avec un tel nombre de connexions (rappelons que le cerveau abrite plusieurs dizaines de milliards de neurones), il n’est pas surprenant de ne pas avoir une compréhension approfondie de la façon dont fonctionne le réseau neuronal du cerveau, considéré comme l’une des machineries les plus complexes de l’Univers. Pour effectuer les tests mathématiques, l’équipe a utilisé un modèle détaillé du néocortex considéré comme la partie ayant évolué le plus récemment dans notre cerveau et impliquée dans certaines de nos fonctions comme la cognition et la perception sensorielle.

Après avoir développé leur cadre mathématique et l’avoir testé sur des stimuli virtuels, l’équipe a également confirmé ses résultats sur le tissu cérébral réel chez les rats. Selon les chercheurs, la topologie algébrique fournit des outils mathématiques permettant de discerner les détails du réseau neuronal à la fois dans une vue rapprochée, au niveau des neurones individuels, mais également à plus grande échelle, analysant la structure du cerveau dans son ensemble. En reliant ces deux niveaux, les chercheurs pouvaient alors discerner des structures géométriques de haute dimension dans le cerveau, formées par des collections de neurones étroitement connectés (cliques) et les espaces vides (cavités) entre eux.

« La topologie algébrique, c’est un peu comme un télescope et un microscope en même temps », explique la mathématicienne Kathryn Hess qui a participé à l’étude. « Cet outil nous permet de zoomer dans les réseaux pour trouver des structures cachées comme les arbres dans une forêt et en même temps observer les espaces vides, les clairières, tout en même temps ». Ces clairières, pour la métaphore, ou cavités, semblent avoir une importance critique pour la fonction cérébrale. Lorsque les chercheurs ont stimulé leurs tissus cérébraux virtuels, ils ont en effet observé que les neurones y réagissaient de manière hautement organisée.

« C’est un peu comme si le cerveau réagissait à un stimulus en construisant et en détruisant une tour de blocs multidimensionnels en commençant par des tiges (1 dimension), des planches (2 dimensions), des cubes (3 dimensions) et enfin des géométries plus complexes en 4, 5 et 6 dimensions », explique le mathématicien Ran Levi, de l’Université d’Aberdeen en Écosse, qui a également participé à l’étude. « La progression de l’activité à travers le cerveau ressemble à un château de sable multidimensionnel qui se construit et se détruit selon les besoins ».

Ces résultats fournissent une nouvelle image plutôt intrigante de la façon dont le cerveau traite l’information. Ce travail sera également nécessaire pour déterminer comment la complexité de ces formes géométriques multidimensionnelles formées par nos neurones est en corrélation avec la complexité de diverses tâches cognitives. La neuroscience cherche notamment l’endroit où le cerveau « stocke » ses souvenirs. Ils pourraient être « cachés » dans les cavités de dimensions supérieures.

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