Hoe pas die brein by 'n neurale sein uit miljarde rande in?

Hoe pas die brein by 'n neurale sein uit miljarde rande in? U brein voer verskeie inligtingorkeste tegelykertyd uit. Verligte klank, CC BY

Die menslike brein stuur honderde biljoene neurale seine elke sekonde. Dit is 'n buitengewoon ingewikkelde stuk.

'N Gesonde brein moet 'n geweldige aantal korrekte verbindings bewerkstellig en sorg dat dit akkuraat bly vir die hele tydperk van die inligtingoordrag - dit kan sekondes duur, wat in' breintyd 'redelik lank is.

Hoe kom elke sein na die beoogde bestemming?

Die uitdaging vir u brein is soortgelyk aan wat u in die gesig staar wanneer u probeer om 'n gesellige cocktailpartytjie te bespreek. U kan fokus op die persoon met wie u praat en die ander besprekings 'demp'. Hierdie verskynsel is selektiewe gehoor - wat die sogenaamde 'the' genoem word cocktail party effek.


Kry die nuutste van InnerSelf


Wanneer almal by 'n groot, stampvol party op ongeveer dieselfde geluid praat, is die gemiddelde klankvlak van die persoon met wie u praat ongeveer gelyk aan die gemiddelde vlak van al die geklets van die ander partytjiegangers. As dit 'n satelliet-TV-stelsel was, sou hierdie ongeveer gelyke balans van die gewenste sein- en agtergrondgeluid tot swak ontvangs lei. Nietemin, hierdie balans is goed genoeg om u die gesprek tydens 'n bruisende partytjie te laat verstaan.

Hoe doen die menslike brein dit, en hy onderskei tussen miljarde aaneenlopende “gesprekke” in homself en sluit aan by 'n spesifieke sein vir aflewering?

My span se navorsing in die neurologiese netwerke van die brein is daar twee aktiwiteite wat die vermoë ondersteun om betroubare verbindings te vestig in die teenwoordigheid van beduidende biologiese agtergrondgeluide. Alhoewel die meganismes van die brein redelik ingewikkeld is, dien hierdie twee aktiwiteite soos 'n elektriese ingenieur 'n bypassende filter - 'n verwerkingselement wat in hoëprestasie-radiostelsels gebruik word en nou bekend is dat dit in die natuur bestaan.

Neurone sing in harmonie

Kom ons neem 'n oomblik om te fokus op net een van die honderde biljoene senuweevesels in die menslike brein, waarvan baie tipies op enige gegewe tydstip aktief is. Hulle doen almal hul deel om denkprosesse uit te voer wat mense in staat stel om suksesvol te funksioneer en sinvol met mekaar te kommunikeer - ondersteunende vermoëns soos oriëntasie, aandag, geheue, probleemoplossing en uitvoerende funksie.

My navorsingspan het 'n model ontwikkel wat biologiese breinaktiwiteit vertaal na die menslike hoorbare omvang, so ons kan die brein hoor by die werk. Dit is soos 'n enkele senuvesel wat sy sein uitstuur, klink in 'n ideale, geraasvrye omgewing:

Die aktiwiteit van 'n enkele senuweevesel word vertaal in die menslike hoorbare reeks. Skrywer voorsien (Geen hergebruik nie)119 KB (Aflaai)

As hierdie gekose senuweevesel 'n sein na die ander bestemming in die brein stuur, is dit teen die agtergrondgeluid wat veroorsaak word deur die aktiwiteit van al die ander aktiewe vesels. Hier is die geluid van dieselfde vesel wat nou in die cocktailparty van die brein gedompel is:

Die aktiwiteit van 'n enkele senuweevesel teen die agtergrond van alles wat in die brein aangaan. Skrywer voorsien (Geen hergebruik nie)119 KB (Aflaai)

Die agtergrondgeluid in die brein stimuleer 'n klein bevolking van ander senuweevesels rondom ons gekose senuweevesel sinchroniseer en dra ongeveer dieselfde boodskap oor. Hierdie sinchronisasie verminder die effek van die geraas en verbeter die duidelikheid van die sein.

Dit doen die werk, maar is nie perfek nie. Dit is soortgelyk aan baie stemme wat in harmonie sing. Elke stem projekteer op elke oomblik op sy unieke frekwensies, met die somtotaal van die veelheid van die stemme wat die frekwensiegebied van elke individuele stem uitbrei. Dink aan 'n refrein wat 'n musieksaal met sy lied vul, in teenstelling met 'n solis wat net een deel sing. Hierdie strategie verryk die frekwensie-inhoud, verhoog die vlak van die gestuurde sein en verhoog die kwaliteit van die ontvangs.

Wetenskaplikes beskryf hierdie verskynsel as die ontstaan ​​van 'n verwantskap, of koppeling, tussen fisies geskeide subsisteme van senuweevesels. Dit skep 'n groter, dinamiese stelsel. Die idee verskil nie van die 350-jarige raaisel wat uiteindelik opgelos is nie slingerhorlosies op dieselfde muur gemonteer, sinkroniseer deur klein fisieke kragte wat op die draagbal uitgeoefen word.

Ek en my kollegas glo dat dieselfde vermoë om te “sinchroniseer” kan lei tot die ontdekking van nie-indringende terapeutiese behandelings vir neurologiese afwykings soos veelvoudige sklerose. Dit kan bewerkstellig word met behulp van 'n nie-indringende neuromodulator-apparaat aan die oppervlak van die kopvel om klein, nie-fisiese pasgemaakte elektriese veldkragte aan die brein te gee. geraak word deur die siekte. Deur die breinseine van die pasiënt nie indringend te verander nie, sal hierdie elektriese veldkragte 'n gesonder neurologiese netwerkomgewing skep vir die oordrag van inligting.

Hoe pas die brein by 'n neurale sein uit miljarde rande in? Soos die tromme in 'n band, help breingolwe 'om die maat te behou'. Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Breine rol die tromme

Neurwetenskaplikes verwys na die afleweringssleutel vir die tweede manier waarop breine deur die seinbuis gesny word. Dit is die rol wat die brein se natuurlike ritmes, algemeen bekend as breingolwe.

Hierdie breinritmes word geskep deur senuweeselle wat in spesifieke patrone vuur, wat golwe van elektriese aktiwiteit veroorsaak by sekere baie lae frekwensies, wat wissel van ongeveer 0.5 tot 140 siklusse per sekonde. Ter vergelyking werk slimfone teen ongeveer 5,000,000,000 siklusse per sekonde. Die golwe wat help om 'n sein na 'n bestemming in die lawaaierige omgewing van die brein te lewer, is of dit die Alpha-golwe, 8 tot 13-siklusse per sekonde is, of Beta-golwe, 13 tot 32-siklusse per sekonde.

In my laboratorium verwys ons na hierdie tweede aktiwiteit soos “rol van die tromme.” Die frekwensie van die breingolf is soortgelyk aan dié van die sub-bas- of bastrommel wat gebruik word om tyd in militêre, rock-, pop-, jazz- en tradisionele orkes te merk of te hou. musiek.

Hierdie lae-frekwensie ritmes dien as 'n afleweringsleutel wat op die gestuurde sein as 'n addisionele frekwensie beïndruk word. Dit is soos hoe GPS-seine sinchroniseer telekommunikasienetwerke. Sê dat die breingolfsein of afleweringsleutel 10 siklusse per sekonde is. Die tydsduur van een siklus is 'n tiende van 'n sekonde, dus die afleweringssleutel gee elke tiende van 'n sekonde 'n tydmerker by die ontvangs.

Hierdie tydmerker is baie nuttig vir die akkurate ontvangs van die gestuurde sein. Van groot belang is dat hierdie afleweringsleutel die slot slegs by die beoogde ontvangspunt oopmaak of aktiveer. Die idee verskil nie van die gebruik van 'n wagwoord om toegang tot spesifieke inhoud te verkry nie.

Neurowetenskaplikes glo dat die keuse van afleweringsleutel gebruik word hang af van die toestand van die individu. Alfa-golwe word byvoorbeeld geassosieer met wakker rus met toe oë. Beta golwe word geassosieer met normale wakker bewussyn en konsentrasie.

Wetenskaplikes veronderstel dat geassosieer met elke bevallingsleutel, of breinritme, 'n lys is van kognitiewe funksies wat ooreenstem met die individu se toestand. Dus, byvoorbeeld, het 'n sein wat met 'n 10-siklus per sekonde gestuur word, alfabetiese breinritme wat daarop beïndruk is, al het inligting daarin gekodeer oor wakker rus.

Breingolwe van elektriese aktiwiteit was byna 100 jaar gelede geïdentifiseeren navorsers leer voortdurend meer daaroor en hul rol in gedrag en breinfunksie.

Hoe pas die brein by 'n neurale sein uit miljarde rande in? Om telekommunikasiestelsels te verbeter, kan navorsers leer hoe die brein sy werk doen. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modelleer ingeboude stelsels op die brein

My laboratorium se navorsing oor neurologiese netwerke het implikasies vir die begrip van die menslike brein en die ontwikkeling van nie-indringende diagnostiese prosedures en terapeutiese behandelings vir 'n verskeidenheid neurologiese disfunksies, maar ook vir die ontwerp van verbeterde stelsels vir telekommunikasie, netwerk, kuberveiligheid, kunsmatige intelligensie en robotika.

Die menslike brein toon byvoorbeeld net hoeveel meer gevorderde telekommunikasienetwerkstelsels kan wees. 5G sellulêre netwerke hoop om ongeveer 1 miljoen toestelle op 'n vierkante kilometer te bedien. In teenstelling hiermee kan die menslike brein vinnig ten minste 1 miljoen verbindings binne 'n kubieke duim breinweefsel.

Die ontwerp van vandag se telekommunikasienetwerk word beperk omdat dit in wese uit die beginsels van een vakgebied, elektriese en rekenaaringenieurswese, spruit. Selfs die eenvoudigste breine, die senuweevesels, soos die skakels in 'n telekommunikasienetwerk, werk op baie ingewikkelde maniere volgens gekombineerde beginsels van biologie, chemiese ingenieurswese, meganiese ingenieurswese en elektriese en rekenaaringenieurswese.

Die ontwerp van stelsels wat soortgelyk aan die menslike brein is, sal die veel meer multidissiplinêre benadering vereis wat weerspieël word in my navorsingsgroep - 'n span wat saamgestel is uit kundiges in geneeskunde, lewenswetenskappe, ingenieurswese en gevorderde materiale - en navorsing vennote.

Oor die skrywer

Salvatore Domenic Morgera, Professor in elektriese ingenieurswese en bio-ingenieurswese, Universiteit van Suid-Florida

Hierdie artikel is gepubliseer vanaf Die gesprek onder 'n Creative Commons lisensie. Lees die oorspronklike artikel.

books_science

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

volg InnerSelf op

Facebook-ikoonTwitter-ikoonrss-ikoon

Kry die nuutste per e-pos

Emailcloak = {af}