Creierul tău conduce mai multe orchestre de informații în același timp. Audio iluminat, CC BY

Creierul uman trimite sute de miliarde de semnale neuronale fiecare secundă. Este un feat extraordinar de complex.

Un creier sănătos trebuie să stabilească un număr enorm de conexiuni corecte și să se asigure că acestea rămân exacte pentru întreaga perioadă a transferului de informații - care poate dura câteva secunde, ceea ce în „timpul creierului” este destul de lung.

Cum ajunge fiecare semnal la destinația intenționată?

Provocarea creierului tău este similară cu cea cu care te confrunți atunci când încerci să participi la conversații la un cocktail zgomotos. Vă puteți concentra asupra persoanei cu care vorbiți și „dezactivați” celelalte discuții. Acest fenomen este auzul selectiv - ceea ce se numește efect de petrecere cocktail.

Când toată lumea la o petrecere mare, aglomerată, vorbește aproximativ la aceeași intensitate, nivelul mediu de sunet al persoanei cu care vorbești este aproximativ egal cu nivelul mediu al tuturor discuțiilor celorlalți petrecăreți. Dacă ar fi un sistem de televiziune prin satelit, acest echilibru aproximativ egal al semnalului dorit și al zgomotului de fond ar duce la o recepție slabă. Cu toate acestea, acest echilibru este suficient de bun pentru a vă permite să înțelegeți conversația la o petrecere plină de viață.

Cum o face creierul uman, distingând între miliarde de „conversații” în curs de desfășurare în sine și blocându-se la un semnal specific pentru livrare?

Cercetările echipei mele în rețelele neurologice ale creierului arată că există două activități care îi susțin capacitatea de a stabili conexiuni fiabile în prezența unui zgomot biologic semnificativ de fond. Deși mecanismele creierului sunt destul de complexe, aceste două activități acționează ca ceea ce un inginer electric numește filtru asortat - un element de procesare utilizat în sistemele radio de înaltă performanță și acum cunoscut că există în natură.

Neuronii cântând în armonie

Să luăm un moment pentru a ne concentra doar pe una dintre sutele de miliarde de fibre nervoase din creierul uman, dintre care multe sunt active de obicei în orice moment dat. Toți își fac partea pentru a efectua procese de gândire care permit oamenilor să funcționeze cu succes și să interacționeze semnificativ între ei - susținând abilități precum orientarea, atenția, memoria, rezolvarea problemelor și funcția executivă.

Echipa mea de cercetare a dezvoltat un model care transpune activitatea creierului biologic în domeniul audibil uman, așa că noi poate auzi creierul la munca. Iată cum sună o singură fibră nervoasă care își transmite semnalul într-un mediu ideal, fără zgomot:

Atunci când această fibră nervoasă aleasă transmite un semnal către destinația sa țintă în altă parte a creierului, se confruntă cu zgomotul de fond cauzat de activitatea tuturor celorlalte fibre active. Iată sunetul aceleiași fibre scufundate acum în cocktail-ul creierului:

Zgomotul de fundal din creier stimulează o populație mică de alte fibre nervoase din jurul fibrei noastre nervoase alese sincroniza și transmite aproximativ același mesaj. Această sincronizare reduce efectul zgomotului și îmbunătățește claritatea semnalului.

Face treaba, dar nu este perfect. Este similar cu multe voci care cântă în armonie. Fiecare voce proiectează sunetul la frecvențele sale unice în fiecare moment, suma totală a multitudinii de voci extinzând gama de frecvențe a fiecărei voci individuale. Gândiți-vă la un cor care umple o sală de muzică cu cântecul ei, spre deosebire de un solist care cântă doar o parte. Această strategie îmbogățește conținutul de frecvență, crește nivelul semnalului transmis și crește calitatea recepției.

Oamenii de știință descriu acest fenomen ca apariția unei relații sau cuplări între subsistemele de fibre nervoase separate fizic. Creează un sistem dinamic mai mare. Ideea nu este atât de diferită de misterul de 350 de ani, rezolvat în cele din urmă, despre cum ceasuri cu pendul montat pe același perete se sincronizează prin mici forțe fizice exercitate asupra grinzii de susținere.

Eu și colegii mei cred că aceeași capacitate de „sincronizare” ar putea duce la descoperirea unor tratamente terapeutice neinvazive pentru tulburări neurologice, cum ar fi scleroză multiplă. Acest lucru ar putea fi realizat folosind un dispozitiv neuromodulator neinvaziv la suprafața scalpului pentru a furniza forțe de câmp electric personalizate mici, non-fizice, în regiunea creierului. afectate de boală. Prin modificarea neinvazivă a semnalelor cerebrale ale pacientului, aceste forțe ale câmpului electric ar crea un mediu de rețea neurologic mai sănătos pentru transferul de informații.

La fel ca tobele dintr-o trupă, undele cerebrale ajută la „păstrarea ritmului”. Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Creierul care rulează tobe

Cea de-a doua modalitate prin care creierele taie prin dezordinea semnalului este ceea ce neurologii se referă la cheia de livrare. Este rolul jucat de ritmurile naturale ale creierului, cunoscut popular ca undele cerebrale.

Aceste ritmuri cerebrale sunt create de celulele nervoase care trag în modele specifice, provocând valuri de activitate electrică la anumite frecvențe foarte scăzute, variind de la aproximativ 0.5 până la 140 de cicluri pe secundă. Prin comparație, smartphone-urile funcționează la aproximativ 5,000,000,000 de cicluri pe secundă. Undele care ajută la transmiterea unui semnal către o destinație din mediul zgomotos al creierului par a fi fie unde Alpha, 8 până la 13 cicluri pe secundă, fie unde Beta, 13 până la 32 cicluri pe secundă.

În laboratorul meu, ne referim la această a doua activitate ca de exemplu „rularea tobelor”. Frecvența undelor cerebrale este similară cu cea a sub-basului sau a tobei de bas utilizate pentru a marca sau păstra timpul în muzica militară, rock, pop, jazz și orchestră tradițională.

Aceste ritmuri de frecvență joasă acționează ca o cheie de livrare care este imprimată pe semnalul transmis ca o frecvență suplimentară. Este un fel de cum Semnale GPS sincronizați rețelele de telecomunicații. Spuneți că semnalul de undă cerebrală sau cheia de livrare este de 10 cicluri pe secundă. Durata de timp a unui ciclu este de o zecime de secundă, astfel încât cheia de livrare oferă un marcaj de timp la punctul de recepție la fiecare zecime de secundă.

Acest indicator de timp este extrem de util în recepția precisă a semnalului transmis. În mod crucial, această cheie de livrare deschide sau activează numai blocarea la punctul de recepție destinat. Ideea nu este atât de diferită de utilizarea unei parole pentru a avea acces la conținut specific.

Neurologii cred că alegerea cheii de livrare utilizate depinde de starea individului. De exemplu, undele alfa sunt asociate cu odihna trezită cu ochii închiși. Undele beta sunt asociate cu conștiința normală de veghe și concentrare.

Oamenii de știință presupun că asociatul fiecărei chei de livrare, sau ritmul creierului, este o listă de funcții cognitive în concordanță cu starea individului. Deci, de exemplu, un semnal trimis cu un ritm cerebral de undă Alfa de 10 cicluri pe secundă, impresionat pe acesta, are deja codificate informații despre odihna trezită.

Undele cerebrale ale activității electrice erau identificat acum aproape 100 de ani, iar cercetătorii învață în mod constant mai multe despre ei și rolul lor în comportament și funcția creierului.

Pentru a îmbunătăți sistemele de telecomunicații, cercetătorii pot învăța din modul în care creierul își desfășoară activitatea. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modelarea sistemelor construite pe creier

Cercetările laboratorului meu privind rețelele neurologice au implicații nu numai pentru înțelegerea creierului uman și dezvoltarea procedurilor de diagnostic neinvaziv și a tratamentelor terapeutice pentru o varietate de disfuncții neurologice, ci și pentru proiectarea sistemelor îmbunătățite pentru telecomunicații, rețele, securitate cibernetică, inteligență artificială și robotică.

De exemplu, creierul uman demonstrează cât de mult ar putea fi proiectele mai avansate ale sistemelor de rețea de telecomunicații. Rețele celulare 5G sper să servească aproximativ 1 milion de dispozitive pe un kilometru pătrat. În schimb, creierul uman poate stabili rapid cel puțin 1 milion de conexiuni într-un inch cub de tesut cerebral.

Proiectele actuale ale sistemelor de rețea de telecomunicații sunt constrânse, deoarece se bazează în esență pe principiile unei discipline - ingineria electrică și computerizată. Chiar și cele mai simple circuite ale creierului, fibrele nervoase, care sunt ca legăturile dintr-o rețea de telecomunicații, funcționează în moduri extrem de complexe, conform principiilor combinate de biologie, inginerie chimică, inginerie mecanică și inginerie electrică și computerizată.

Proiectarea unor sisteme similare în ceea ce privește creierul uman va necesita abordarea mult mai multidisciplinară reflectată în grupul meu de cercetare - o echipă formată din experți în medicină, științe ale vieții, inginerie și materiale avansate - și cercetare parteneri.

Despre autor

Salvatore Domenic Morgera, Profesor de inginerie electrică și bioinginerie, Universitatea din Florida de Sud

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.

carti_stiinta