Twój mózg prowadzi jednocześnie wiele orkiestr informacji. Oświecony dźwięk, CC BY

Ludzki mózg wysyła setki miliardów sygnałów neuronowych każda sekunda. To niezwykle złożony wyczyn.

Zdrowy mózg musi ustanowić ogromną liczbę poprawnych połączeń i zapewnić, że pozostaną one dokładne przez cały okres przesyłania informacji – może to zająć kilka sekund, co w „czasie mózgu” jest dość długie.

W jaki sposób każdy sygnał dociera do zamierzonego celu?

Wyzwanie dla Twojego mózgu jest podobne do tego, z jakim masz do czynienia, gdy próbujesz zaangażować się w rozmowę na hałaśliwym przyjęciu koktajlowym. Jesteś w stanie skoncentrować się na osobie, z którą rozmawiasz, i „wyciszyć” inne dyskusje. Zjawiskiem tym jest słyszenie selektywne – tzw efekt koktajlu.

Kiedy wszyscy na dużej, zatłoczonej imprezie mówią mniej więcej z taką samą głośnością, średni poziom dźwięku osoby, z którą rozmawiasz, jest mniej więcej równy średniemu poziomowi rozmów wszystkich innych uczestników imprezy łącznie. Gdyby to był system telewizji satelitarnej, ta mniej więcej równa równowaga pożądanego sygnału i szumu tła spowodowałaby słaby odbiór. Niemniej jednak ta równowaga jest wystarczająco dobra, abyś mógł zrozumieć rozmowę na tętniącej życiem imprezie.

W jaki sposób ludzki mózg to robi, rozróżniając miliardy toczących się w sobie „rozmów” i blokując konkretny sygnał do dostarczenia?

Badania mojego zespołu do sieci neurologicznych mózgu pokazuje, że istnieją dwie czynności, które wspierają jego zdolność do ustanawiania niezawodnych połączeń w obecności znaczącego biologicznego szumu tła. Chociaż mechanizmy mózgu są dość złożone, te dwie czynności działają jak to, co inżynier elektryk nazywa dopasowany filtr - element przetwarzający stosowany w wysokowydajnych systemach radiowych, o którym wiadomo, że występuje w naturze.

Neurony śpiewają w harmonii

Poświęćmy chwilę, aby skupić się na jednym z setek miliardów włókien nerwowych w ludzkim mózgu, z których wiele jest zazwyczaj aktywnych w danym momencie. Wszyscy robią swoją część, aby przeprowadzić procesy myślowe, które pozwalają ludziom skutecznie funkcjonować i wchodzić w interakcję ze sobą – wspierając zdolności, takie jak orientacja, uwaga, pamięć, rozwiązywanie problemów i funkcje wykonawcze.

Mój zespół badawczy opracował model, który przekłada biologiczną aktywność mózgu na zakres słyszalności człowieka, więc my słyszy mózg w pracy. Oto jak brzmi pojedyncze włókno nerwowe transmitujące swój sygnał w idealnym, wolnym od hałasu środowisku:

Kiedy wybrane włókno nerwowe przesyła sygnał do miejsca docelowego w innym miejscu w mózgu, przeciwstawia się szumowi tła powodowanemu przez aktywność wszystkich innych aktywnych włókien. Oto dźwięk tego samego włókna zanurzonego teraz w koktajlu mózgu:

Szum tła w mózgu stymuluje niewielką populację innych włókien nerwowych wokół wybranego włókna nerwowego do synchronizować i przekazywać mniej więcej tę samą wiadomość. Ta synchronizacja zmniejsza wpływ szumu i poprawia czystość sygnału.

Wykonuje swoją pracę, ale nie jest doskonały. Jest podobny do wielu głosów śpiewających w harmonii. Każdy projekt głosowy brzmi w każdej chwili na swoich unikalnych częstotliwościach, a suma mnóstwa głosów rozszerza zakres częstotliwości każdego indywidualnego głosu. Pomyśl o chórze wypełniającym swoją piosenką salę muzyczną, w przeciwieństwie do solisty śpiewającego tylko jedną część. Strategia ta wzbogaca zawartość częstotliwości, podnosi poziom nadawanego sygnału i podnosi jakość odbioru.

Naukowcy opisują to zjawisko jako pojawienie się związku lub sprzężenia między fizycznie oddzielonymi podsystemami włókien nerwowych. Tworzy większy, dynamiczny system. Pomysł nie różni się tak bardzo od 350-letniej, wreszcie rozwiązanej zagadki, jak zegary wahadłowe zamontowane na tej samej ścianie synchronizują się dzięki niewielkim siłom fizycznym wywieranym na belkę nośną.

Moi koledzy i ja wierzymy, że ta sama zdolność do „synchronizacji” może doprowadzić do odkrycia nieinwazyjnych metod leczenia zaburzeń neurologicznych, takich jak stwardnienie rozsiane. Można to osiągnąć za pomocą nieinwazyjnego urządzenia neuromodulującego na powierzchni skóry głowy, aby zapewnić niewielkie, niefizyczne, niestandardowe siły pola elektrycznego do obszaru mózgu dotkniętych chorobą. Nieinwazyjnie zmieniając sygnały mózgowe pacjenta, te siły pola elektrycznego stworzyłyby zdrowsze środowisko sieci neurologicznej do przesyłania informacji.

Podobnie jak bębny w zespole, fale mózgowe pomagają „utrzymać rytm”. Josha Sorensona/Unsplash, CC BY

Mózgi toczące bębny

Drugim sposobem, w jaki mózgi przebijają się przez bałagan sygnałów, jest to, co neuronaukowcy nazywają kluczem dostarczania. To rola odgrywana przez naturalne rytmy mózgu, popularnie zwane falami mózgowymi.

Te rytmy mózgowe są tworzone przez komórki nerwowe, które aktywują się według określonych wzorców, wywołując fale aktywności elektrycznej o bardzo niskich częstotliwościach, od około 0.5 do 140 cykli na sekundę. Dla porównania smartfony działają z prędkością około 5,000,000,000 8 13 13 cykli na sekundę. Fale, które pomagają dostarczyć sygnał do miejsca docelowego w hałaśliwym środowisku mózgu, wydają się być falami alfa (od 32 do XNUMX cykli na sekundę) lub falami beta (od XNUMX do XNUMX cykli na sekundę).

W moim laboratorium tę drugą czynność nazywamy „toczeniem bębnów”. Częstotliwość fal mózgowych jest podobna do częstotliwości sub-basu lub bębna basowego używanych do oznaczania lub utrzymywania czasu w muzyce wojskowej, rockowej, popowej, jazzowej i tradycyjnej muzyce orkiestrowej.

Te rytmy o niskiej częstotliwości działają jak klucz dostawy, który jest odciśnięty w przesyłanym sygnale jako dodatkowa częstotliwość. To trochę tak jak sygnały GPS synchronizować sieci telekomunikacyjne. Powiedzmy, że sygnał fal mózgowych lub klucz dostarczania to 10 cykli na sekundę. Czas trwania jednego cyklu to jedna dziesiąta sekundy, więc klucz dostawy podaje znacznik czasu w punkcie odbioru co dziesiątą część sekundy.

Ten znacznik czasu jest niezwykle pomocny w dokładnym odbiorze przesyłanego sygnału. Co najważniejsze, ten klucz dostawy otwiera lub aktywuje zamek tylko w zamierzonym punkcie odbioru. Pomysł nie różni się tak bardzo od użycia hasła w celu uzyskania dostępu do określonych treści.

Neuronaukowcy uważają, że wybór użytego klucza dostawy zależy od stanu jednostki. Na przykład fale alfa kojarzą się z odpoczynkiem w stanie czuwania z zamkniętymi oczami. Fale beta są związane z normalną świadomością i koncentracją w stanie czuwania.

Naukowcy przypuszczają, że z każdym kluczem dostarczania lub rytmem mózgu jest powiązana lista funkcji poznawczych zgodnych ze stanem danej osoby. Tak więc, na przykład, sygnał wysłany z 10 cyklami na sekundę rytmu mózgowego fali alfa odciśniętego na nim ma już zakodowaną informację o czuwaniu.

Fale mózgowe aktywności elektrycznej były zidentyfikowany prawie 100 lat temu, a naukowcy stale dowiadują się o nich i ich roli w zachowaniu i funkcjonowaniu mózgu.

Aby ulepszyć systemy telekomunikacyjne, naukowcy mogą uczyć się na podstawie tego, jak mózg wykonuje swoją pracę. Mario Caruso/Unsplash, CC BY

Modelowanie systemów zbudowanych w mózgu

Badania mojego laboratorium nad sieciami neurologicznymi mają znaczenie nie tylko dla zrozumienia ludzkiego mózgu i opracowania nieinwazyjnych procedur diagnostycznych i terapeutycznych dla różnych dysfunkcji neurologicznych, ale także dla projektowania ulepszonych systemów telekomunikacji, sieci, cyberbezpieczeństwa, sztucznej inteligencji i robotyki.

Na przykład ludzki mózg pokazuje, o ile bardziej zaawansowane mogą być projekty systemów sieci telekomunikacyjnych. Sieci komórkowe 5G mam nadzieję obsłużyć około 1 miliona urządzeń na milę kwadratową. W przeciwieństwie do tego ludzki mózg może szybko nawiązać co najmniej 1 milion połączeń w ciągu jednego cal sześcienny tkanki mózgowej.

Dzisiejsze projekty systemów sieci telekomunikacyjnych są ograniczone, ponieważ zasadniczo czerpią z zasad jednej dyscypliny – inżynierii elektrycznej i komputerowej. Nawet najprostsze obwody mózgu, włókna nerwowe, które są jak łącza w sieci telekomunikacyjnej, działają w niezwykle złożony sposób, zgodnie z połączonymi zasadami biologii, inżynierii chemicznej, inżynierii mechanicznej oraz inżynierii elektrycznej i komputerowej.

Projektowanie systemów podobnych pod względem możliwości do ludzkiego mózgu będzie wymagało znacznie bardziej multidyscyplinarnego podejścia odzwierciedlonego w mojej grupie badawczej – zespole złożonym z ekspertów w dziedzinie medycyny, nauk przyrodniczych, inżynierii i zaawansowanych materiałów – i Badania naukowe wzmacniacz.

O autorze

Salvatore Domenica Morgery, profesor elektrotechniki i bioinżynierii, University of South Florida

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

książki_nauka