Kuinka aivot virittyvät yhteen hermosignaaliin miljardeista?

Kuinka aivot virittyvät yhteen hermosignaaliin miljardeista?
Aivosi johtaa useita orkestereita tietoja samanaikaisesti. Valaistu ääni, CC BY

Ihmisen aivot lähettävät satoja miljardeja hermosignaaleja joka sekunti. Se on poikkeuksellisen monimutkainen feat.

Terveiden aivojen on luotava valtava määrä oikeita yhteyksiä ja varmistettava, että ne pysyvät tarkkoina koko tiedonsiirron ajan - se voi viedä sekuntia, mikä “aivoajassa” on melko pitkä.

Kuinka kukin signaali pääsee määränpäähänsä?

Aivojesi haaste on samanlainen kuin se, jonka kohtaat yrittäessäsi keskustella meluisassa cocktailjuhlissa. Voit keskittyä keskustelemaan puhuttavaan ihmiseen ja ”mykistää” muut keskustelut. Tämä ilmiö on selektiivinen kuulo - mitä kutsutaan cocktail-juhlavaikutus.

Kun kaikki suurella, täynnä juhlia puhuvat suunnilleen samalla äänenvoimakkuudella, puhuttavan henkilön keskimääräinen äänitaso on suunnilleen yhtä suuri kuin kaikkien muiden juhlavieraiden keskustelujen keskimääräinen taso. Jos se olisi satelliitti-tv-järjestelmä, tämä suunnilleen yhtä suuri halutun signaalin ja taustakohinan tasapaino johtaisi heikkoon vastaanottoon. Tämä tasapaino on kuitenkin riittävän hyvä, jotta ymmärrät keskustelun vilkkaassa juhlissa.

Kuinka ihmisen aivot tekevät sen erottamalla miljardeista keskenään meneillään olevista "keskusteluista" ja lukitsemalla tietyn signaalin toimitukselle?

Ryhmäni tutkimus aivojen neurologisiin verkostoihin osoittaa, että on olemassa kaksi toimintaa, jotka tukevat sen kykyä luoda luotettavia yhteyksiä merkittävän biologisen taustamelun läsnäollessa. Vaikka aivojen mekanismit ovat melko monimutkaisia, nämä kaksi toimintaa toimivat kuin mitä sähköinsinööri kutsuu hakusuodatin - prosessointielementti, jota käytetään korkean suorituskyvyn radiojärjestelmissä ja jonka tiedetään olevan olemassa luonnossa.


Hanki viimeisin InnerSelfistä


Neuronit laulavat harmoniassa

Otetaan hetki keskittyä vain yhteen sadasta miljardeista ihmisen aivojen hermokuiduista, joista monet ovat tyypillisesti aktiivisia tietyssä ajankohdassa. He tekevät kaikki osansa suorittaakseen ajatteluprosesseja, jotka antavat ihmisille mahdollisuuden toimia menestyksekkäästi ja olla tarkoituksenmukaisesti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa - tukevat kykyjä, kuten suuntautuminen, huomio, muisti, ongelmanratkaisu ja johtotehtävät.

Tutkimusryhmäni on kehittänyt mallin, joka muuntaa aivojen biologisen toiminnan ihmisen kuuloalueelle, joten me kuulee aivot töissä. Tässä on kuinka signaalia välittävä yksittäinen hermokuitu kuulostaa ihanteellisessa, meluttomassa ympäristössä:

Yhden hermokuidun aktiivisuus muuntuu ihmisen kuuloalueelle. Tekijä toimitettu (ei uudelleenkäyttöä)119 KB (Lataa)

Kun tämä valittu hermokuitu välittää signaalin määränpäähänsä muualle aivoihin, se on vastoin kaikkien muiden aktiivisten kuitujen toiminnan aiheuttamaa taustamelua. Tässä on sen saman kuidun ääni, joka on nyt upotettu aivojen cocktailjuhlaan:

Yhden hermokuitun toiminta kaiken muun aivoissa tapahtuvan taustalla. Tekijä toimitettu (ei uudelleenkäyttöä)119 KB (Lataa)

Aivojen taustamelu stimuloi pientä määrää muita hermokuituja valitun hermokudun ympärillä synkronoida ja lähettää suunnilleen saman viestin. Tämä synkronointi vähentää kohinan vaikutusta ja parantaa signaalin selkeyttä.

Se tekee työn, mutta ei ole täydellinen. Se on samanlainen kuin monet harmonisesti laulavat äänet. Jokainen ääni projisoi ääniä ainutlaatuisilla taajuuksillaan joka hetki siten, että niiden äänimäärien summa, jotka laajentavat kunkin yksittäisen äänen taajuusaluetta. Ajattele kuoroa, joka täyttää musiikkisaalin laulullaan, toisin kuin solisti, joka laulaa vain yhden osan. Tämä strategia rikastuttaa taajuussisältöä, nostaa lähetetyn signaalin tasoa ja parantaa vastaanoton laatua.

Tutkijat kuvaavat tätä ilmiötä suhteen tai kytkeytymisen muodostumiseksi fyysisesti erotettujen hermokuitujen alajärjestelmien välillä. Se luo suuremman, dynaamisen järjestelmän. Ajatus ei ole niin erilainen kuin lopulta ratkaistu 350-vuotias mysteeri siitä, kuinka heilurin kellot samalle seinälle asennetut synkronoituvat tukipalkkiin kohdistuvien pienten fyysisten voimien avulla.

Kollegani ja uskon, että tämä sama kyky "synkronoitua" saattaa johtaa noninvasiivisten terapeuttisten hoitomuotojen löytämiseen neurologisten häiriöiden, kuten multippeliskleroosi. Tämä voitaisiin suorittaa käyttämällä pääinpinnan noninvasiivista neuromodulaattorilaitetta pienten, fysikaalisten mukautettujen sähkökenttävoimien aikaansaamiseksi aivojen alueelle sairaus. Muuttamalla potilaan aivosignaaleja noninvasiivisesti nämä sähkökenttävoimat loisivat terveellisemmän neurologisen verkkoympäristön tiedonsiirtoa varten.

Kuinka aivot virittyvät yhteen hermosignaaliin miljardeista?
Kuten bändin rummutkin, aivoaallot auttavat ”pitämään rytmin”.
Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Rummut vierittävät aivot

Toinen tapa, jolla aivot leikkaavat signaalihäiriön, on se, mitä neurotieteilijät viittaavat toimitusavaimeen. Se on aivojen luonnolliset rytmit, joka tunnetaan nimellä aaltoaalto.

Nämä aivorytmit muodostavat hermosolut, jotka ampuvat tietyissä malleissa, aiheuttaen sähköisen aktiivisuuden aaltoja tietyillä erittäin alhaisilla taajuuksilla, jotka vaihtelevat noin 0.5 - 140 jaksoon sekunnissa. Vertailun vuoksi älypuhelimet toimivat noin 5,000,000,000 jaksolla sekunnissa. Aallot, jotka auttavat toimittamaan signaalin määränpäähän aivojen meluisassa ympäristössä, näyttävät olevan joko alfa-aaltoja, 8 – 13-jaksoa sekunnissa tai Beta-aaltoja, 13 – 32 jaksoja sekunnissa.

Laboratoriossamme me tarkoitamme tätä toista toimintaa "rumpujen pyörittämisellä". Aivoaaltotaajuus on samanlainen kuin basso- tai bassorumpun, jota käytetään merkitsemään tai pitämään aikaa armeijan, rockin, popin, jazzin ja perinteisen orkesterin ajan. musiikkia.

Nämä matalataajuiset rytmit toimivat jakeluavaimena, joka vaikutetaan lähetettyyn signaaliin lisätaajuutena. Se on kuin miten GPS-signaaleja synkronoida televerkot. Sano, että aivoaaltosignaali tai jakeluavain on 10-jaksoa sekunnissa. Yhden syklin kesto on sekunnin kymmenesosa, joten jakeluavain antaa aikamerkinnän vastaanottopisteessä sekunnin kymmenesosan välein.

Tämä aikamerkki on erittäin hyödyllinen lähetetyn signaalin tarkkaan vastaanottamiseen. Tärkeää on, että tämä toimitusavain avaa tai aktivoi lukon vain tarkoitetussa vastaanottopisteessä. Idea ei eroa salasanan käytöstä pääsyyn tiettyyn sisältöön.

Neurotieteilijöiden mielestä toimitusavaimen valinta on käytetty riippuu yksilön tilasta. Esimerkiksi alfa-aaltoihin liittyy herkkä lepo silmien ollessa kiinni. Beeta-aallot liittyvät normaaliin herättävään tietoisuuteen ja keskittymiseen.

Tutkijoiden oletetaan, että jokaiseen jakeluavaimeen tai aivojen rytmiin liittyy luettelo kognitiivisista toiminnoista, jotka ovat yhdenmukaisia ​​yksilön tilan kanssa. Joten esimerkiksi 10-jaksoilla sekunnissa lähetetyllä Alfa-aallon aivorytmillä, johon on vaikuttanut, on siinä jo koodattu tietoa herättävästä leposta.

Sähköisen toiminnan aivoaallot olivat tunnistettu melkein 100 vuotta sitten, ja tutkijat oppivat jatkuvasti lisää heistä ja heidän roolistaan ​​käyttäytymisessä ja aivojen toiminnassa.

Kuinka aivot virittyvät yhteen hermosignaaliin miljardeista?
Televiestintäjärjestelmien parantamiseksi tutkijat voivat oppia kuinka aivot toimivat.
Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Aivojen rakennettujen järjestelmien mallintaminen

Laboratorioni tutkimuksella neurologisista verkostoista on vaikutusta ihmisen aivojen ymmärtämiseen ja noninvasiivisten diagnostiikkamenetelmien ja terapeuttisten hoitomenetelmien kehittämiseen monien neurologisten toimintahäiriöiden lisäksi myös parannettujen tietoliikenne-, verkottumis-, kyberturvallisuus-, tekoäly- ja robottijärjestelmien suunnitteluun.

Esimerkiksi ihmisen aivot osoittavat, kuinka paljon edistyneemmät tietoliikenneverkkojärjestelmät voisivat olla. 5G-matkapuhelinverkot toivon palvelevan noin 1 miljoonaa laitetta neliökilometrillä. Sitä vastoin ihmisen aivot voivat nopeasti luoda ainakin 1 miljoonan yhteyden a: n sisällä kuutiometriä tuumaa aivokudosta.

Nykyiset televerkkojärjestelmien suunnittelut ovat rajoitettuja, koska ne perustuvat pääosin yhden tieteenalaperiaatteisiin - sähkö- ja tietokonetekniikkaan. Jopa aivojen yksinkertaisimmatkin piirit, hermokuidut, jotka ovat kuin linkkejä telekommunikaatioverkossa, toimivat erittäin monimutkaisilla tavoilla biologian, kemian tekniikan, koneenrakennuksen sekä sähkö- ja tietokonetekniikan yhdistettyjen periaatteiden mukaisesti.

Ihmisen aivojen kaltaisten järjestelmien suunnittelu vaatii paljon monitieteisempää lähestymistapaa, joka heijastuu tutkimusryhmässäni - lääketieteen, biotieteiden, tekniikan ja edistyneiden materiaalien asiantuntijoista koostuvaan ryhmään - ja tutkimus kumppani.

kirjailijasta

Salvatore Domenic Morgera, sähkötekniikan ja biotekniikan professori, Etelä-Floridan yliopisto

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

seuraa InnerSelfia

facebook-kuvakeTwitter-kuvakeRSS-kuvake

Hanki uusimmat sähköpostitse

{Emailcloak = off}