Tutkijat leimaavat edelleen palapelin aivojen toiminnasta. Yuichiro Chino / Hetki Getty Images -palvelun kautta
Aivojen toiminta pysyy palapelinä, jolla on vain muutama pala paikoillaan. Näistä yksi iso pala on todella olettamus: että aivojen fyysinen rakenne ja sen toiminnallisuus.
Aivojen työtehtäviin kuuluu kosketus-, visuaalisten ja äänitulosten tulkinta sekä puhe, päättely, tunteet, oppiminen, liikkeen hieno hallinta ja monet muut. Neurotieteilijät olettavat, että aivojen anatomia - satojen miljardien hermokuitujen kanssa - mahdollistaa kaikki nämä toiminnot. Aivojen ”elävät johdot” on kytketty yksityiskohtaisiin neurologisiin verkostoihin, jotka antavat ihmisen uskomattomia kykyjä.
Vaikuttaa siltä, että jos tutkijat pystyvät kartoittamaan hermokuidut ja niiden yhteydet ja tallentamaan niiden läpi virtaavien impulssien ajoituksen korkeampaa toimintaa varten, kuten visio, heidän pitäisi pystyä ratkaisemaan kysymys esimerkiksi kuinka näkee. Tutkijat parantavat aivojen kartoitusta traktografia - tekniikka, joka kuvaa visuaalisesti hermokuidoreittejä 3D-mallinnuksella. Ja he parantavat entistä paremmin, kuinka tiedot liikkuvat aivojen läpi käyttämällä tehostettua toiminnallista magneettikuvausta kuvantamalla verenvirtausta.
Näistä työkaluista huolimatta kukaan ei tunnu olevan paljon lähempänä keksintöä miten todella näemme. Neurotiedellä on vain alkeellinen käsitys siitä, kuinka se kaikki sopii yhteen.
Tämän puutteen korjaamiseksi ryhmäni biotekniikan tutkimus keskittyy aivojen rakenteen ja toiminnan suhteisiin. Yleisenä tavoitteena on selittää tieteellisesti kaikki yhteydet - sekä anatomiset että langattomat -, jotka aktivoivat aivojen eri alueet kognitiivisten tehtävien aikana. Työskentelemme monimutkaisten mallien parissa, jotka kuvaavat paremmin sitä, mitä tutkijat tietävät aivojen toiminnasta.
Viime kädessä selkeämpi kuva rakenteesta ja toiminnasta voi hienosäätää tapoja, joilla aivokirurgia yrittää korjata rakennetta, ja päinvastoin, lääkitys yrittää korjata toiminnan.
Sähköiset lähikenttäyhteydet tarjoavat toisen tason viestinnän aivoissa. PM-kuvat / kivi Getty-kuvien kautta
Langattomat kuumat kohdat päässäsi
Kognitiiviset toiminnot, kuten päättely ja oppiminen, käyttävät useita erillisiä aivoalueita aikajärjestyksessä. Pelkästään anatomia - hermosolut ja hermokuidut - eivät pysty selittämään näiden alueiden viritystä samanaikaisesti tai yhdessä.
Jotkut yhteydet ovat todella ”langattomia”. Nämä ovat sähköiset lähikenttäyhteydet, eikä liikennekuvauksissa kaapattuja fyysisiä yhteyksiä.
Tutkimusryhmäni on työskennellyt useita vuosia yksityiskohtaisesti näiden langattomien yhteyksien alkuperä ja mitataan niiden kenttävoimakkuudet. Hyvin yksinkertainen analyysi aivojen tapahtumista on kuinka langaton reititin toimii. Internet toimitetaan reitittimelle langallisen yhteyden kautta. Reititin lähettää sitten tiedot kannettavalle tietokoneellesi langattomien yhteyksien avulla. Koko tiedonsiirtojärjestelmä toimii sekä langallisten että langattomien yhteyksien takia.
Sähkökentät johtuvat varautuneista hiukkasista, jotka virtaavat neuroneihin sisään ja ulos Ranvierin eristämättömistä solmuista. ttsz / iStock Getty Images Plus -sovelluksen kautta
Aivojen tapauksessa hermosolut johtavat sähköisiä impulsseja alas pitkiä säiemäisiä aseita, joita kutsutaan aksoneiksi, solurungosta muihin neuroneihin. Matkan varrella langattomat signaalit lähetetään luonnollisesti hermosolujen eristämättömistä osista. Näitä kohtia, joista puuttuu suojaava eristys, joka kiertää muun aksonin, kutsutaan Ranvier-solmut.
Ranvier-solmut sallivat varautuneiden ionien diffundoitua neuroniin ja ulos, etenemällä sähköinen signaali aksonissa. Kun ionit virtaavat sisään ja ulos, syntyy sähkökenttiä. Näiden kenttien intensiteetti ja rakenne riippuvat hermosolun aktiivisuudesta.
Täällä Globaali neurologisten verkostojen keskus keskitymme siihen, kuinka nämä langattomat signaalit toimivat aivoissa välittää tietoja.
Aivojen epälineaarinen maailma
Tutkimukset siitä, kuinka innoissaan aivoalueet sopivat yhteen kognitiivisten toimintojen kanssa, tekevät toisen virheen, kun ne luottavat oletuksiin, jotka johtavat liian yksinkertaisiin malleihin.
Tutkijoilla on taipumus mallintaa suhdetta lineaarinen yhdellä muuttujalla, mittaamalla yhden aivoalueen vasteen keskimääräinen koko. Se on logiikka ensimmäisen kuulolaitteen suunnittelu - Jos ihmisen ääni kasvaa kahdesti äänekkäämmin, korvan tulisi vastata kaksinkertaisesti.
Kuulolaitteiden käyttäjät tietävät, että vain aistitulon kaksinkertaistaminen on alkeellista. AndreyPopov / iStock Getty Images Plus -ohjelman kautta
Kuulolaitteet ovat kuitenkin parantuneet huomattavasti vuosien mittaan, kun tutkijat ovat ymmärtäneet paremmin, että korva ei ole lineaarinen järjestelmä, ja tarvitaan epälineaarinen puristus, jotta soitetut äänet voidaan sovittaa kuuntelijan kykyihin. Itse asiassa useimmat elävissä asioissa ei ole sensurointijärjestelmiä, jotka reagoivat lineaarisesti, yksi-toiselle-ärsykkeisiin.
Lineaariset mallit olettavat, että jos järjestelmän tulo kaksinkertaistuu, myös järjestelmän tuotos kaksinkertaistetaan. Tämä ei pidä paikkaansa epälineaarisissa malleissa, joissa tulon yhdelle arvolle voi olla useita lähtöarvoja. Ja useimmat tutkijat ovat sitä mieltä hermolaskut ovat itse asiassa epälineaarisia.
Kriittinen kysymys aivojen ja käyttäytymisen välisen yhteyden ymmärtämisessä on miten aivot päättävät parhaan toimintatavan kilpailevien vaihtoehtojen keskuudessa. Esimerkiksi aivojen aivokuori tekee optimaaliset valinnat lasketaan useita määriä tai muuttujia - lasketaan potentiaalinen voitto, onnistumisen todennäköisyys ja kustannukset ajan ja vaivan suhteen. Koska järjestelmä on epälineaarinen, potentiaalisen voiton kaksinkertaistaminen voi tehdä lopullisen päätöksen paljon enemmän kuin kaksi kertaa todennäköisemmin.
{vembed V = 394259925} Tietovirta aivojen läpi on paljon monimutkaisempaa ja dynaamisempaa kuin 2D-malli pystyy edustamaan riittävästi.
Lineaariset mallit ohittavat monipuoliset mahdollisuudet, joita voi tapahtua aivojen toiminnassa, etenkin ne, jotka anatomisen rakenteen perusteella viittaavat. Se on kuin ero ympäröivän maailman 2D- ja 3D-esityksen välillä.
Nykyiset lineaariset mallit kuvaavat vain keskimääräistä herätetasoa aivoalueella tai virtausta aivojen pinnan yli. Se on paljon vähemmän tietoa kuin kollegani ja käytän epälineaarisia malleja rakennettaessa sekä tehostetusta toiminnallisesta magneettikuvauskuvauksesta että sähköisestä lähikuvan biokuvauksesta. Mallimme tarjoavat 3D-kuvan informaation virtauksesta aivojen pintojen läpi ja sen syvyyksiin - ja saavat meidät lähemmäksi edustamaan kuinka kaikki toimii.
Terveellisen näköisellä aivolla voi olla toiminnallisia ongelmia. Science Photo Library Getty Images -palvelun kautta
Normaali anatomia, fysiologiset toimintahäiriöt
Tutkimusryhmäni on kiinnostunut siitä, että ihmisillä, joilla on täysin normaalin näköinen aivorakenne, voi silti olla suuria toiminnallisia ongelmia.
Osana neurologisten toimintahäiriöiden tutkimusta vierailemme yksilöissä sairaalahoidossa, surun tukiryhmissä, kuntoutushoitoissa, traumakeskuksissa ja akuutin hoidon sairaaloissa. Olemme jatkuvasti järkyttyneitä ymmärtämään, että rakkaansa menettäneet ihmiset voivat osoittavat samanlaisia oireita niille potilaille, joilla on diagnosoitu Alzheimerin tauti.
Suru on sarja emotionaalisia, kognitiivisia, toiminnallisia ja käyttäytymiseen liittyviä vastauksia kuolemaan tai muuhun menetykseen. Se ei ole valtio, vaan prosessi, joka voi olla joko väliaikainen tai jatkuva.
Terveellisen näköiset aivot kärsiville fysiologinen suru joilla ei ole samoja anatomisia ongelmia - mukaan lukien kutistuneet aivoalueet ja häiriintyneet yhteydet neuroniverkkojen välillä - joita esiintyy Alzheimerin tautia sairastavilla ihmisillä.
Uskomme, että tämä on vain yksi esimerkki siitä, kuinka aivojen kuumimmat kohdat - ne yhteydet, jotka eivät ole fyysisiä - sekä aivojen epälineaarisen toiminnan rikkaus voivat johtaa tuloksiin, joita aivojen skannaus ei ennusta. On todennäköisesti paljon enemmän esimerkkejä.
Nämä ajatukset voivat osoittaa tien vakavien neurologisten tilojen lieventämiseen noninvasiivisilla keinoilla. Menetysterapia ja ei-invasiiviset, sähköiset lähikentän neuromodulaatiolaitteet voi vähentää rakkaansa menettämiseen liittyviä oireita. Ehkä näitä protokollia ja menettelyjä tulisi tarjota laajemmin potilaille, jotka kärsivät neurologisista toimintahäiriöistä, joissa kuvantaminen paljastaa anatomiset muutokset. Se voisi pelastaa jotkut näistä henkilöistä invasiivisilta kirurgisilta toimenpiteiltä.
Kartoittamalla kaikki aivojen epäfysikaaliset yhteydet käyttämällä viimeaikaisia edistysaskeleitamme sähköisessä lähikenttäkartoituksessa ja hyödyntämällä biologisesti realistisia monimuuttujaisia epälineaarisia malleja, saamme meidät askeleen lähemmäksi sitä, mihin haluamme mennä. Aivojen parempi ymmärtäminen ei vain vähennä invasiivisten toimintamenetelmien tarvetta toiminnan korjaamiseksi, vaan johtaa myös parempiin malleihin siitä, mitä aivot tekevät parhaiten: laskentaa, muistia, verkottumista ja tiedon jakelua.
Author
Salvatore Domenic Morgera, sähkötekniikan ja biotekniikan professori, Tau Beta Pi -suunnittelija, Etelä-Floridan yliopisto
Tämä artikkeli julkaistaan uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.
Liittyvät kirjat:
Keho pitää pisteet: Aivomieli ja keho trauman paranemisessa
esittäjä (t): Bessel van der Kolk
Tämä kirja tutkii trauman ja fyysisen ja henkisen terveyden välisiä yhteyksiä ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita paranemiseen ja palautumiseen.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Breath: kadonneen taiteen uusi tiede
Kirjailija: James Nestor
Tämä kirja tutkii hengityksen tieteitä ja käytäntöjä ja tarjoaa oivalluksia ja tekniikoita fyysisen ja henkisen terveyden parantamiseksi.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Kasviparadoksi: "terveellisten" elintarvikkeiden piilotetut vaarat, jotka aiheuttavat sairauksia ja painonnousua
Kirjailija: Steven R. Gundry
Tämä kirja tutkii ruokavalion, terveyden ja sairauksien välisiä yhteyksiä ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita yleisen terveyden ja hyvinvoinnin parantamiseksi.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Immunity Code: Uusi paradigma todelliselle terveydelle ja radikaalille ikääntymisen estämiselle
Kirjailija: Joel Greene
Tämä kirja tarjoaa uuden näkökulman terveyteen ja immuniteettiin, hyödyntäen epigenetiikan periaatteita ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita terveyden ja ikääntymisen optimoimiseksi.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Täydellinen opas paastoon: paranna kehosi jaksoittaisella, vuorotellen ja pitkällä paastolla
Tohtori Jason Fung ja Jimmy Moore
Tämä kirja tutkii paastoamisen tiedettä ja käytäntöä ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita yleisen terveyden ja hyvinvoinnin parantamiseksi.
