在探索宇宙奥秘的职业生涯结束后，Janelia研究园的一位资深科学家现在正在探索人类大脑的奥秘，并对脑细胞之间的连接产生了新的见解。

2018年，蒂尔塔比尔·比斯瓦斯(Tirthabir Biswas)来到Janelia休假，他是一名成功的高能理论物理学家。比斯瓦斯仍然很喜欢研究宇宙的问题，但这个领域已经失去了一些激情，许多主要问题已经得到了解答。

“今天的神经科学有点像一百年前的物理学，当时物理学拥有如此多的数据，他们不知道发生了什么，这是令人兴奋的，”比斯瓦斯说，他在菲茨杰拉德实验室工作。“神经科学中有很多信息和数据，他们了解一些特定的大回路，但仍然没有一个全面的理论理解，有机会做出贡献。”

神经科学中最大的未解之谜之一围绕着脑细胞之间的联系。人类大脑中的连接数是银河系中恒星数量的数百倍，但哪些脑细胞是连接的，为什么是连接的，仍然是一个谜。这限制了科学家精确治疗心理健康问题和开发更准确的人工智能的能力。

当蒂尔塔比尔·比斯瓦斯(Tirthabir Biswas)到达他的实验室时，Janelia小组组长詹姆斯·菲茨杰拉德(James Fitzgerald)首先提出了一个问题，即如何发展一种数学理论来更好地理解这些联系。

菲茨杰拉德在外地呆了几天，比斯瓦斯坐下来，拿着纸和笔，利用他在高维几何方面的背景来思考这个问题——这与神经科学家的方法不同，神经科学家通常依靠微积分和代数来解决数学问题。没过几天，比斯瓦斯就对解决方案有了重大的见解，他一回来就找到了菲茨杰拉德。

比斯瓦斯回忆说:“这似乎是一个非常困难的问题，所以如果我说，‘我已经解决了这个问题’，他可能会认为我疯了。但我还是决定说出来。”菲茨杰拉德一开始对此持怀疑态度，但当比斯瓦斯完成了他的作品布局后，他们都意识到他发现了一些重要的东西。

菲茨杰拉德说:“他的洞察力对这些网络如何运作非常重要，这是人们以前从未有过的。这种洞察力是由跨学科思维促成的。这种洞察力是他思考方式的灵光一现，并转化为他以前从未研究过的新问题。”

比斯瓦斯的想法帮助该团队开发了一种识别脑细胞之间重要联系的新方法，该方法发表在6月29日的《物理评论研究》(physical Review Research)上。通过分析神经网络——模拟脑细胞及其连接的数学模型——他们能够找出大脑中的某些连接可能比其他连接更重要。

具体来说，他们研究了这些网络如何将输入转化为输出。例如，输入可能是由眼睛检测到的信号，输出可能是由此产生的大脑活动。他们研究了哪些连接模式会导致相同的输入输出转换。

正如预期的那样，每个输入输出组合都有无数种可能的连接。但他们也发现，特定的连接出现在每个模型中，这使得该团队认为，这些必要的连接可能存在于真实的大脑中。更好地理解哪些连接比其他连接更重要，可以让我们更了解大脑中真实的神经网络是如何进行计算的。

下一步是实验神经科学家们测试这个新的数学理论，看看它是否可以用来预测大脑中正在发生的事情。该理论直接应用于Janelia绘制果蝇大脑连接体和记录幼体斑马鱼大脑活动的努力。弄清楚这些小动物潜在的理论原理可以用来理解人类大脑的连接，而记录这种活动目前还不可行。

菲茨杰拉德说:“我们正在努力做的是提出一些理解真正重要的东西的理论方法，并使用这些简单的大脑来测试这些理论。由于它们在简单的大脑中得到验证，一般理论可以用来思考大脑计算在更大的大脑中是如何工作的。”

Geometric framework to predict structure from function in neural networks