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우주에 대한 우리의 정신적 그림은 우주처럼 확장되는 것 같습니다 : ScienceAlert

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당신의 뇌 안에는 당신이 잤던 모든 침실의 지도가 있습니다. 당신이 요리한 모든 부엌. 당신이 일했던 모든 도시, 당신이 휴가를 보낸 모든 국가. 당신이 꿈꿔온 모든 우주의 진부한 지도도 있습니다.

미국의 연구자들이 수행한 쥐의 뇌에 대한 연구에 따르면, 매우 영리한 수학 덕분에 이 방대한 세부 정보를 작은 뉴런 태피스트리에 압축하는 것이 가능합니다.

물리적 공간의 정신적 표현을 구현하는 새로 발견된 뇌 세포 배열 패턴은 우리의 뇌가 특정 종류의 데이터를 저장하는 방법을 밝힐 뿐만 아니라 기억과 매핑이 잘못되는 경우에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

처음으로 방에 들어가면 뇌는 공간을 스케치할 뉴런을 서둘러 모집합니다. 이러한 장소 세포는 반드시 방을 반영하는 방식으로 배열되지는 않지만 조화로운 깜박임은 여전히 ​​물리적 영역 내에 우리 자신을 배치하는 방법으로 사용됩니다.

장소 필드라는 네트워크로 배열된 이러한 셀은 우리가 공간에 익숙해짐에 따라 반복적으로 재구성되며, 주변 공간이 더 친숙해짐에 따라 상호 연관된 반응으로 파문을 일으키는 점점 더 풍부한 셀 네트워크에 기여합니다.

상관 활동의 계층 구조가 발전하고 작동하는 방식은 지금까지 적어도 수학적 관점에서 볼 때 대부분 추측에 불과했습니다.

Salk Institute for Biological Studies의 전산 신경 생물학자 Tatyana Sharpee가 이끄는 새로운 연구에서 연구자들은 공간 기억에 중요한 쥐의 해마 부분에서 신경 세포의 활동을 조사했습니다.

쥐가 미로를 달릴 때 쥐의 장소 세포를 연구하기 위해 이전에 고안된 방법을 사용하여 연구자들은 한 줌의 성체 설치류를 직선의 48미터(157피트) 트랙을 따라 내려가도록 했습니다. 실행합니다.

네트워크를 통해 전달되는 일련의 메시지를 모델링할 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다. 이는 메시지의 물리적 근접성 또는 응답에서 서로 다른 셀이 일치하는 방식에 따라 달라집니다.

쥐의 장소 세포 네트워크에서 깜박이는 신호의 계층 구조에 대한 분석은 쌍곡선으로 설명되는 기하학 유형으로 가장 잘 모델링되었습니다. 아이러니하게도 이것은 우리의 뇌가 상상하기 가장 쉬운 기하학이 아닙니다.

상사가 꼭대기에 있고 바닥에 혼자 앉아 있는 전형적인 사무실 건물을 상상해 보십시오. 사장 이하 임원들은 모두 고급스러운 사무실을 가지고 있습니다. 그 아래에는 중간 관리자가 약간 더 작은 스위트룸에 비집고 들어갑니다. 더 아래로, 작업실로 가득 찬 바닥에 수많은 노동자들이 모여 있습니다.

이 ‘선형’ 계층 구조는 층을 내려가고 추가 부서가 합산됨에 따라 각 개인의 공간이 빠르게 부족해집니다.

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그러나 쌍곡선 기하학을 사용하여 건설된 오피스 타워는 낮은 층에 새로운 부서를 수용하는 데 아무런 문제가 없을 것입니다. 이 부서는 기하급수적으로 커지며 서로 다른 구성 요소와 연결될 때 교차하는 선이 형성하는 각도에 대한 다른 규칙 집합을 따릅니다.

편평한 원으로 묘사된 쌍곡선 계층 구조입니다. (장 외., 네이처 커뮤니케이션즈2022)

위의 예를 사용하여 평면 공간에서 쌍곡선 계층 구조를 나타낼 수 있지만 전체 차원 현실에서는 이러한 삼각형의 크기가 모두 동일합니다(예, 상상하려고 하면 뇌가 손상될 수 있습니다). 따라서 이것이 재료 조각인 경우 바깥쪽 끝은 플로피 모자처럼 초과 원주로 구부러집니다.

쌍곡선 계층 구조는 유사한 수학을 사용하여 일련의 작업에서 서로 다른 활동 지점 간의 관계를 설명하므로 공간에서 자신을 상상할 때 마음 속의 거리와 물체를 자세히 설명하는 보다 효율적인 방법을 사용할 수 있습니다.

여기에서 연구원들은 쥐가 새로운 공간에 도입되었을 때 장소 세포의 작은 영역이 어떻게 빠르게 형성되고 시간이 지남에 따라 로그 확장에 따라 더 복잡한 영역으로 성장하는지에 대한 수학을 관찰했습니다.

뉴런 그룹 계층
장소 필드에 매핑된 뉴런 그룹(노드)을 나타내는 쌍곡선 계층 구조로, 다른 색상은 장소 셀의 다른 속성을 나타냅니다. (장 외., 네이처 커뮤니케이션즈2022)

“우리의 연구는 뇌가 항상 선형 방식으로 행동하지 않는다는 것을 보여줍니다. 대신 신경망은 확장 곡선을 따라 기능하며 쌍곡선 기하학과 정보 이론을 사용하여 분석하고 이해할 수 있습니다.”라고 Sharpee는 말합니다.

최근 연구에 따르면 생물학의 후각 시스템도 쌍곡선 계층 구조를 따르므로 동물이 냄새를 선형적으로 분류하는 방식보다 훨씬 더 복잡하고 다양한 방식으로 냄새를 분류할 수 있습니다.

새로운 연구의 배후에 있는 연구원들은 우리의 공간 인식의 쌍곡선 표현이 가까운 정보에만 의존하여 성장하는 정신 지도와 함께 제공되는 재구성에 더 잘 적응한다고 주장합니다. 공간에서 몸의 위치를 ​​파악하는 것도 선형 모델에 따라 지도를 개발하는 것보다 더 정확합니다.

인간의 유사한 효과를 측정하면 특히 기억 및 공간 인식과 관련된 신경학 분야에서 질병 모델에 정보를 제공할 수 있습니다.

좀 더 시적인 차원에서 우리의 정신적 우주의 확장이 우리의 물리적 우주의 무한한 확장을 반영한다는 것을 아는 것은 아름다움이 있습니다. 지금까지 모든 징후는 우리 우주가 평평한 모양을 가지고 있음을 가리키고 있지만, 시공간의 전체 기하학이 미묘한 곡률을 가질 수 있는지 여부를 추측하는 모델이 있습니다.

“당신은 쌍곡선 기하학이 우주 규모에만 적용된다고 생각할 것입니다. 그러나 그것은 사실이 아닙니다.”라고 Sharpee는 말합니다.

“우리의 뇌는 빛의 속도보다 훨씬 느리게 작동하는데, 이는 천문학적 공간이 아닌 잡을 수 있는 공간에서 쌍곡선 효과가 관찰되는 이유일 수 있습니다. 다음으로 우리는 뇌의 이러한 동적 쌍곡선 표현이 어떻게 성장하고 상호 작용하는지에 대해 더 배우고 싶습니다. , 그리고 서로 통신합니다.”

이 연구는 자연 신경과학.

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