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.
Elektriske nærfeltforbindelser gir et annet nivå av kommunikasjon i hjernen. PM-bilder / Stone via Getty Images
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.
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.
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.
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.
{vembed V = 394259925} 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.
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.
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.
Relaterte bøker:
Kroppen holder poengsummen: Hjernens sinn og kropp i helbredelsen av traumer
av Bessel van der Kolk
Denne boken utforsker sammenhengene mellom traumer og fysisk og mental helse, og tilbyr innsikt og strategier for helbredelse og bedring.
Klikk for mer info eller for å bestille
Pust: The New Science of a Lost Art
av James Nestor
Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med å puste, og tilbyr innsikt og teknikker for å forbedre fysisk og mental helse.
Klikk for mer info eller for å bestille
Planteparadokset: De skjulte farene i "sunn" mat som forårsaker sykdommer og vektøkning
av Steven R. Gundry
Denne boken utforsker koblingene mellom kosthold, helse og sykdom, og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.
Klikk for mer info eller for å bestille
Immunitetskoden: Det nye paradigmet for ekte helse og radikal antialdring
av Joel Greene
Denne boken tilbyr et nytt perspektiv på helse og immunitet, og trekker på prinsipper for epigenetikk og tilbyr innsikt og strategier for å optimalisere helse og aldring.
Klikk for mer info eller for å bestille
Den komplette guiden til faste: Helbred kroppen din gjennom periodisk, vekslende dag og forlenget faste
av Dr. Jason Fung og Jimmy Moore
Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med faste og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.
