Hvordan hjerner hjerner seg til ett nevralt signal ut av milliarder?

Hvordan hjerner hjerner seg til ett nevralt signal ut av milliarder? Hjernen din leder flere orkestre med informasjon samtidig. Opplyst lyd, CC BY

Den menneskelige hjernen sender hundrevis av milliarder av nevrale signaler hvert sekund. Det er en usedvanlig sammensatt bragd.

En sunn hjerne må etablere et enormt antall riktige forbindelser og sørge for at de forblir nøyaktige i hele informasjonsoverføringsperioden - det kan ta sekunder, som i "hjernetid" er ganske lang.

Hvordan kommer hvert signal til det tiltenkte målet?

Utfordringen for hjernen din ligner det du blir møtt med når du prøver å snakke sammen på en støyende cocktailfest. Du kan fokusere på personen du snakker med og "dempe" de andre diskusjonene. Dette fenomenet er selektiv hørsel - det som kalles cocktailfest-effekt.

Når alle på et stort, overfylt parti snakker med omtrent samme lydstyrke, er det gjennomsnittlige lydnivået til personen du snakker med omtrent det gjennomsnittlige nivået for alle de andre festgangers skravling kombinert. Hvis det var et satellitt-TV-system, ville denne omtrent like store balansen av ønsket signal og bakgrunnsstøy resultert i dårlig mottak. Likevel er denne balansen god nok til at du kan forstå samtale på et yrende parti.

Hvordan gjør den menneskelige hjernen det, og skiller mellom milliarder av pågående “samtaler” i seg selv og låser seg til et spesifikt signal for levering?

Mitt lags undersøkelse i de nevrologiske nettverkene i hjernen viser det er to aktiviteter som støtter dens evne til å etablere pålitelige forbindelser i nærvær av betydelig biologisk bakgrunnsstøy. Selv om hjernens mekanismer er ganske kompliserte, fungerer disse to aktivitetene som det en elektrisk ingeniør kaller a matchet filter - et prosesseringselement brukt i høyytelsesradiosystemer, og nå kjent for å eksistere i naturen.


Få det siste fra InnerSelf


Neuroner synger i harmoni

La oss ta et øyeblikk for å fokusere på bare en av de hundrevis av milliarder nervefibrene i den menneskelige hjernen, hvorav mange typisk er aktive på et gitt tidspunkt. De gjør alle for å gjennomføre tankeprosesser som lar mennesker fungere vellykket og samhandle meningsfullt med hverandre - støtte evner som orientering, oppmerksomhet, minne, problemløsing og utøvende funksjon.

Forskerteamet mitt har utviklet en modell som oversetter biologisk hjerneaktivitet til det menneskelige hørbar området, så vi kan høre hjernen på jobb. Slik høres en enkelt nervefiber som overfører signalet ut i et ideelt, støyfritt miljø:

En enkelt nervefibers aktivitet oversatt til det menneskelige hørbarhetsområdet. Forfatter gitt (Ingen gjenbruk)119 KB (Last ned)

Når denne valgte nervefiberen overfører et signal til sin måldestinasjon andre steder i hjernen, er det opp mot bakgrunnsstøyen forårsaket av aktiviteten til alle de andre aktive fibrene. Her er lyden av den samme fiberen som nå er nedsenket i hjernens cocktailfest:

En enkelt nervefibers aktivitet, på bakgrunn av alt annet som skjer i hjernen. Forfatter gitt (Ingen gjenbruk)119 KB (Last ned)

Bakgrunnsstøyen i hjernen stimulerer en liten populasjon andre nervefibre rundt den valgte nervefiberen vår synkronisere og overfører omtrent den samme meldingen. Denne synkroniseringen reduserer effekten av støyen og forbedrer signalets klarhet.

Den gjør jobben, men er ikke perfekt. Det ligner mange stemmer som synger i harmoni. Hver stemme projiserer lyd med sine unike frekvenser i hvert øyeblikk, med summen av antall stemmer som utvider frekvensområdet for hver enkelt stemme. Tenk på et kor som fyller en musikkhall med sangen, i motsetning til at en solist bare synger en del. Denne strategien beriker frekvensinnholdet, hever nivået på det sendte signalet og øker mottakelsens kvalitet.

Forskere beskriver dette fenomenet som fremveksten av et forhold, eller kobling, mellom fysisk atskilte undersystemer av nervefibrer. Det skaper et større, dynamisk system. Ideen er ikke så forskjellig fra det 350 år gamle mysteriet, til slutt løst, om hvordan pendelur montert på samme vegg synkroniseres gjennom små fysiske krefter som utøves på bærebjelken.

Mine kolleger og jeg tror at den samme evnen til å "synkronisere" kan føre til oppdagelse av ikke-invasiv terapeutisk behandling av nevrologiske lidelser som f.eks. multippel sklerose. Dette kan oppnås ved å bruke en ikke-invasiv nevromodulatoranordning ved overflaten av hodebunnen for å tilveiebringe små, ikke-fysiske tilpassede elektriske feltkrefter til hjernen. påvirket av sykdommen. Ved ikke-invasivt å endre pasientens hjernesignaler, ville disse elektriske feltkreftene skape et sunnere nevrologisk nettverksmiljø for informasjonsoverføring.

Hvordan hjerner hjerner seg til ett nevralt signal ut av milliarder? Som trommene i et band hjelper hjernebølger med å "holde takten." Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Hjerner som ruller trommene

Den andre måten hjerner kutter gjennom signalet rotet er det nevrovitenskapsmenn refererer til som leveringsnøkkelen. Det er rollen som hjernens naturlige rytmer, populært kjent som hjernebølger.

Disse hjernerytmene er skapt av nerveceller som skyter i spesifikke mønstre, og forårsaker bølger av elektrisk aktivitet ved visse svært lave frekvenser, alt fra ca. 0.5 til 140 sykluser per sekund. Til sammenligning fungerer smarttelefoner med rundt 5,000,000,000 sykluser per sekund. Bølgene som hjelper til med å gi et signal til en destinasjon i hjernens støyende miljø ser ut til å være enten alfa-bølger, sykluser 8 til 13 per sekund, eller betabølger, sykluser 13 til 32 per sekund.

I laboratoriet mitt refererer vi til denne andre aktiviteten som å "rulle trommene." Hjernebølgefrekvensen er lik den til subbas eller basstromme som brukes til å markere eller holde tid i militær, rock, pop, jazz og tradisjonelt orkester musikk.

Disse lavfrekvente rytmene fungerer som en leveringsnøkkel som er imponert over det sendte signalet som en tilleggsfrekvens. Det er liksom hvordan GPS-signaler synkroniser telekommunikasjonsnettverk. Si at hjernebølgesignalet eller leveringsnøkkelen er 10 sykluser per sekund. Tidsvarigheten til en syklus er en tidel av et sekund, så leveringsnøkkelen gir en tidsmarkering i mottakspunktet hvert tiende sekund.

Denne tidsmarkøren er ekstremt nyttig i den nøyaktige mottakelsen av det sendte signalet. Avgjørende er at denne leveringsnøkkelen bare åpner eller aktiverer låsen på det tiltenkte mottaksstedet. Ideen er ikke så forskjellig fra bruk av et passord for å få tilgang til spesifikt innhold.

Nevrovitere mener at valget av leveringsnøkkel brukes avhenger av individets tilstand. For eksempel er alfabølger assosiert med våken hvile med lukkede øyne. Betabølger er assosiert med normal våken bevissthet og konsentrasjon.

Forskere antar at assosiert med hver fødselsnøkkel, eller hjernerytme, er en liste over kognitive funksjoner som stemmer overens med individets tilstand. Så for eksempel har et signal sendt med en 10 sykluser per sekund alfa-bølge hjernerytme imponert over det allerede informasjon som er kodet i den om våken hvile.

Hjernebølger av elektrisk aktivitet var identifisert for nesten 100 år siden, og forskere lærer stadig mer om dem og deres rolle i atferd og hjernefunksjon.

Hvordan hjerner hjerner seg til ett nevralt signal ut av milliarder? For å forbedre telekommunikasjonssystemene kan forskere lære av hvordan hjernen gjør sitt arbeid. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modellering av bygde systemer på hjernen

Min laboratorieforskning i nevrologiske nettverk har implikasjoner for ikke bare å forstå den menneskelige hjernen og utvikle ikke-invasive diagnostiske prosedyrer og terapeutiske behandlinger for en rekke nevrologiske dysfunksjoner, men også for å utforme forbedrede systemer for telekommunikasjon, nettverk, cybersecurity, kunstig intelligens og robotikk.

For eksempel demonstrerer den menneskelige hjernen hvor mye mer avansert telekommunikasjonsnett systemdesign kan være. 5G mobilnettverk håper å kunne tjene rundt 1 millioner enheter på en kvadratkilometer. Derimot kan den menneskelige hjernen raskt etablere minst 1 millioner forbindelser innen en kubikk tomme hjernevev.

Dagens design av telekommunikasjonsnettverk er begrenset fordi de i utgangspunktet trekker fra prinsippene for en fagfelt - elektroteknikk og datateknikk. Selv de enkleste kretsene i hjernen, nervefibrene, som er som koblingene i et telekommunikasjonsnettverk, fungerer på svært komplekse måter i henhold til kombinerte prinsipper innen biologi, kjemiteknikk, maskinteknikk og elektrisk og datateknikk.

Å designe systemer som har samme evne som den menneskelige hjerne, vil kreve den mye mer tverrfaglige tilnærmingen gjenspeiles i forskningsgruppen min - et team hentet fra eksperter innen medisin, biovitenskap, ingeniørvitenskap og avanserte materialer - og forskning partnere.

om forfatteren

Salvatore Domenic Morgera, Professor i elektroteknikk og bioingeniør, University of South Florida

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

books_science

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}