Hvordan hjerner er mer komplekse enn hva anatomi antyder

Hvordan hjerner er mer komplekse enn hva anatomi antyder Forskere brer fortsatt sammen puslespillet om hvordan hjernen fungerer. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images

Hvordan hjernen fungerer forblir et puslespill med bare noen få brikker på plass. Av disse er en stor brikke egentlig en formodning: at det er et forhold mellom hjernens fysiske struktur og dens funksjonalitet.

Hjernens jobber inkluderer tolking av berøring, visuelle og lydinnganger, samt tale, resonnement, følelser, læring, fin kontroll over bevegelse og mange andre. Nevrovitere antar at det er hjernens anatomi - med hundrevis av milliarder nervefibre - som gjør alle disse funksjonene mulig. Hjernens “levende ledninger” er koblet sammen i forseggjorte nevrologiske nettverk som gir opphav til menneskers fantastiske evner.

Det ser ut til at hvis forskere kan kartlegge nervefibrene og deres forbindelser og registrere tidspunktet for impulsene som strømmer gjennom dem for en høyere funksjon som syn, bør de være i stand til å løse spørsmålet om hvordan man ser for eksempel. Forskere blir flinkere til å kartlegge hjernen ved å bruke traktografi - en teknikk som visuelt representerer nervefiberruter ved bruk av 3D-modellering. Og de blir flinkere til å registrere hvordan informasjon beveger seg gjennom hjernen ved å bruke forbedret funksjonell magnetisk resonansavbildning for å måle blodstrømmen.

Men til tross for disse verktøyene, virker ingen mye nærmere å finne ut av det hvordan vi virkelig ser. Nevrovitenskap har bare en rudimentær forståelse av hvordan det hele passer sammen.

For å løse denne mangelen, teamets bioingeniørforskning fokuserer på sammenhenger mellom hjernestruktur og funksjon. Det overordnede målet er å vitenskapelig forklare alle forbindelsene - både anatomiske og trådløse - som aktiverer forskjellige hjerneområder under kognitive oppgaver. Vi jobber med komplekse modeller som bedre fanger opp det forskere vet om hjernefunksjon.

Til syvende og sist kan et tydeligere bilde av struktur og funksjon finjustere måtene hjernekirurgi prøver å korrigere struktur, og omvendt, medisiner prøver å rette funksjon.

Hvordan hjerner er mer komplekse enn hva anatomi antyder Elektriske nærfeltforbindelser gir et annet nivå av kommunikasjon i hjernen. PM-bilder / Stone via Getty Images


Få det siste fra InnerSelf


Trådløse hot spots i hodet

Kognitive funksjoner som resonnement og læring bruker en rekke forskjellige hjerneområder på en tidssekvensert måte. Anatomi alene - nevronene og nervefibrene - kan ikke forklare eksitasjonen i disse regionene, samtidig eller i tandem.

Noen tilkoblinger er faktisk "trådløse." Disse er elektriske nærfeltforbindelser, og ikke de fysiske tilkoblingene som er fanget i traktatografier.

[Ekspertise i innboksen din. Registrer deg på The Conversations nyhetsbrev og få ekspertinndrag på dagens nyheter, hver dag.]

Forskerteamet mitt har jobbet i flere år med detaljering av opprinnelsen til disse trådløse tilkoblingene og måle deres feltstyrker. En veldig enkel analogi av hva som foregår i hjernen er hvordan en trådløs ruter fungerer. Internett blir levert til en ruter via en kablet tilkobling. Ruteren sender deretter informasjonen til den bærbare datamaskinen din ved hjelp av trådløse tilkoblinger. Det overordnede systemet for informasjonsoverføring fungerer på grunn av både kablede og trådløse tilkoblinger.

Hvordan hjerner er mer komplekse enn hva anatomi antyder Elektriske felt stammer fra ladede partikler som strømmer inn og ut av nevroner ved deres uisolerte noder av Ranvier. ttsz / iStock via Getty Images Plus

Når det gjelder hjernen, fører nerveceller elektriske impulser ned lange trådlignende armer kalt aksoner fra cellelegemet til andre nevroner. Underveis blir det naturlig sendt ut trådløse signaler fra uisolerte deler av nerveceller. Disse flekkene som mangler den beskyttende isolasjonen som pakker resten av aksonet kalles noder av Ranvier.

Knutepunktene til Ranvier lar ladede ioner diffundere inn og ut av nevronen, og forplanter det elektriske signalet nedover aksonet. Når ionene flyter inn og ut, genereres det elektriske felt. Intensiteten og strukturen til disse feltene avhenger av nervecellens aktivitet.

Her på Globalt senter for nevrologiske nettverk vi fokuserer på hvordan disse trådløse signaler fungerer i hjernen å kommunisere informasjon.

Hjernens ikke-lineære verden

Undersøkelser om hvordan begeistrede hjerneregioner samsvarer med kognitive funksjoner gjør en annen feil når de er avhengige av antagelser som fører til altfor enkle modeller.

Forskere har en tendens til å modellere forholdet som lineær med en enkelt variabel, måling av den gjennomsnittlige størrelsen på en enkelt hjerne-regionens respons. Det er logikken bak design av det første høreapparatet - Hvis en persons stemme vokser dobbelt så høyt, bør øret svare dobbelt så mye.

Hvordan hjerner er mer komplekse enn hva anatomi antyder Høreapparatbrukere vet at bare det å doble den sensoriske inngangen er en rudimentær løsning. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus

Men høreapparater har blitt betydelig forbedret gjennom årene, da forskere har forstått bedre at øret ikke er et lineært system, og det er nødvendig med en form for ikke-lineær komprimering for å matche lydene som genereres til lytterens evne. Faktisk de fleste levende ting har ikke sensorsystemer som reagerer på en lineær en-til-en-måte på stimuli.

Lineære modeller antar at hvis inngangen til et system blir doblet, vil også utgangen til det systemet bli doblet. Dette er ikke tilfelle for ikke-lineære modeller, der mange utgangsverdier kan eksistere for inngangsverdien. Og det er de fleste forskere enige om nevrale beregninger er faktisk ikke-lineære.

Et avgjørende spørsmål for å forstå koblingen mellom hjerne og atferd er hvordan hjernen bestemmer det beste handlingsforløpet blant konkurrerende alternativer. For eksempel gjør hjernens frontale cortex optimale valg etter beregne mange mengder eller variabler - beregne den potensielle utbetalingen, sannsynligheten for suksess og kostnadene med tanke på tid og krefter. Siden systemet er ikke-lineært, kan en dobling av den potensielle utbetalingen ta en endelig beslutning mye mer enn dobbelt så sannsynlig.

Informasjonsflyten gjennom hjernen er mye mer sammensatt og dynamisk enn en 2D-modell kan representere tilstrekkelig.

Lineære modeller går glipp av det rike mangfoldet av muligheter som kan oppstå i hjernefunksjon, spesielt de utover det anatomisk struktur antyder. Det er som forskjellen mellom en 2D- og 3D-representasjon av verden rundt oss.

Gjeldende lineære modeller beskriver bare det gjennomsnittlige eksitasjonsnivået i en hjerne-region, eller strømmen over en hjerneoverflate. Det er mye mindre informasjon enn kollegaene mine og jeg bruker når jeg bygger våre ikke-lineære modeller fra både forbedret funksjonell magnetisk resonansavbildning og elektriske biofileringsdata for nærfeltet. Modellene våre gir et 3D-bilde av informasjonsflyt over overflatene i hjernen og til dybder i den - og får oss nærmere å representere hvordan det hele fungerer.

Hvordan hjerner er mer komplekse enn hva anatomi antyder En sunn hjerne kan ha funksjonelle problemer. Science Photo Library via Getty Images

Normal anatomi, fysiologisk dysfunksjon

Forskningsteamet mitt er fascinert av det faktum at mennesker med helt normale hjernestrukturer fremdeles kan ha store funksjonsproblemer.

Som en del av vår forskning på nevrologisk dysfunksjon, besøker vi individer i hospice, støttegrupper for forelskelse, rehabiliteringsomsorg, traumasentre og akutte sykehus. Vi blir konstant forskrekket til å innse at mennesker som har mistet sine kjære kan utviser lignende symptomer til pasienter som har diagnosen Alzheimers sykdom.

Sorg er en serie emosjonelle, kognitive, funksjonelle og atferdsmessige reaksjoner på død eller andre typer tap. Det er ikke en stat, men snarere en prosess som enten kan være midlertidig eller pågående.

De som lider sunt utseende fysiologisk sorg har ikke de samme anatomiske problemene - inkludert krympet hjerneområder og forstyrrede forbindelser mellom nettverk av nevroner - som finnes hos personer med Alzheimers sykdom.

Vi tror dette bare er ett eksempel på hvordan hjernens hot spots - de forbindelsene som ikke er fysiske - pluss rikdommen i hjernens ikke-lineære operasjon kan føre til utfall som ikke vil bli forutsagt av en hjerneskanning. Det er sannsynligvis mange flere eksempler.

Disse ideene kan peke vei til avbøtning av alvorlige nevrologiske tilstander gjennom ikke-invasive midler. Mykterapi og ikke-invasive, elektriske nærfelt nevromoduleringsenheter kan redusere symptomene forbundet med tapet av en kjær. Kanskje disse protokollene og prosedyrene bør tilbys mer utbredt til pasienter som lider av nevrologisk dysfunksjon der avbildning avslører anatomiske forandringer. Det kan redde noen av disse personene fra invasive kirurgiske inngrep.

Hvis du diagrammer alle hjernens ikke-fysiske koblinger ved å bruke våre nylige fremskritt innen elektrisk kartlegging av nærfelt, og bruker det vi mener er biologisk realistiske ikke-lineære modeller med mange variabler, vil vi komme oss et skritt nærmere dit vi ønsker å gå. Bedre forståelse av hjernen vil ikke bare redusere behovet for invasive operasjonsprosedyrer for å korrigere funksjon, men vil også føre til bedre modeller for hva hjernen gjør best: beregning, minne, nettverk og informasjonsdistribusjon.Den Conversation

Om forfatteren

Salvatore Domenic Morgera, professor i elektroteknikk og bioingeniør, Tau Beta Pi Eminent Engineer, University of South Florida

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.


Anbefalte bøker: Helse

Fersk fruktrensingFresh Fruit Cleanse: Detox, miste vekt og gjenopprett din helse med Nature's Most Delicious Foods (Paperback) av Leanne Hall.
Miste vekt og føle deg levende sunn mens du tømmer kroppen din av giftstoffer. Fersk fruktrensing tilbyr alt du trenger for en enkel og kraftig detox, inkludert dag-til-dag-programmer, munnvannoppskrifter, og råd for overgang av renset.
Klikk her for mer info og / eller å bestille denne boken på Amazon.

Trives matTrives Foods: 200 Plant-baserte oppskrifter for Peak Health [Paperback] av Brendan Brazier.
Bygg på den stressreduserende, helsestimulerende næringsfilosofien introdusert i hans anerkjente veganernæringsguide Thrive, profesjonell Ironman triatlete Brendan Brazier viser nå sin oppmerksomhet til middagsplaten (frokostskål og lunsjbrett også).
Klikk her for mer info og / eller å bestille denne boken på Amazon.

Død etter medisin av Gary NullDeath by Medicine av Gary Null, Martin Feldman, Debora Rasio og Carolyn Dean
Det medisinske miljøet har blitt en labyrint av sammenlåsende bedrifts-, sykehus- og regjeringsstyrelser, infiltrert av narkotikaforetakene. De giftigste stoffene blir ofte godkjent først, mens mildere og mer naturlige alternativer blir ignorert av økonomiske årsaker. Det er død av medisin.
Klikk her for mer info og / eller å bestille denne boken på Amazon.


enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}

FRA REDAKTØRENE

InnerSelf Nyhetsbrev: September 20, 2020
by InnerSelf Staff
Temaet for nyhetsbrevet denne uken kan oppsummeres som "du kan gjøre det" eller mer spesifikt "vi kan gjøre det!". Dette er en annen måte å si "du / vi har makten til å gjøre en endring". Bildet av ...
Hva som fungerer for meg: "Jeg kan gjøre det!"
by Marie T. Russell, InnerSelf
Grunnen til at jeg deler "det som fungerer for meg" er at det også kan fungere for deg. Hvis ikke akkurat slik jeg gjør det, siden vi alle er unike, kan noe avvik på holdningen eller metoden veldig godt være noe ...
InnerSelf Nyhetsbrev: September 6, 2020
by InnerSelf Staff
Vi ser livet gjennom linsene til vår oppfatning. Stephen R. Covey skrev: "Vi ser verden, ikke som den er, men som vi er──eller som vi er betinget av å se den." Så denne uken ser vi på noen ...
InnerSelf Nyhetsbrev: August 30, 2020
by InnerSelf Staff
Veiene vi ferdes i disse dager er like gamle som tiden, men de er nye for oss. Erfaringene vi har er like gamle som tidene, men de er også nye for oss. Det samme gjelder for ...
Når sannheten er så forferdelig at det gjør vondt, ta handling
by Marie T. Russell, InnerSelf.com
Midt i alle gruene som skjer i disse dager, er jeg inspirert av håpstrålene som skinner gjennom. Vanlige mennesker som står opp for det som er riktig (og mot det som er galt). Baseballspillere, ...