Din hjerne dirigerer flere orkestre med information på samme tid. Oplyst lyd, CC BY

Den menneskelige hjerne sender hundreder af milliarder neurale signaler hvert sekund. Det er en ekstraordinært kompleks bedrift.

En sund hjerne skal etablere et enormt antal korrekte forbindelser og sikre, at de forbliver nøjagtige i hele informationsoverførselsperioden - det kan tage sekunder, hvilket i "hjerne tid" er ret langt.

Hvordan kommer hvert signal til den tilsigtede destination?

Udfordringen for din hjerne ligner det, du står over for, når du prøver at deltage i en samtale på et støjende cocktailparty. Du er i stand til at fokusere på den person, du taler med, og "dæmpe" de andre diskussioner. Dette fænomen er selektiv hørelse - hvad der kaldes cocktailfest-effekt.

Når alle på en stor, overfyldt fest taler med omtrent samme lydstyrke, er det gennemsnitlige lydniveau for den person, du taler med, omtrent lig med det gennemsnitlige niveau for alle de andre festgæsteres snak sammen. Hvis det var et satellit-tv-system, ville denne omtrent lige store balance mellem ønsket signal og baggrundsstøj resultere i dårlig modtagelse. Ikke desto mindre er denne balance god nok til at lade dig forstå samtale på en travl fest.

Hvordan gør den menneskelige hjerne det, skelner mellem milliarder af igangværende "samtaler" i sig selv og låser fast på et specifikt signal til levering?

Mit teams forskning i hjernens neurologiske netværk viser, at der er to aktiviteter, der understøtter dens evne til at etablere pålidelige forbindelser i nærvær af betydelig biologisk baggrundsstøj. Selvom hjernens mekanismer er ret komplekse, fungerer disse to aktiviteter som det, som en elektriker kalder en matchet filter - et behandlingselement, der anvendes i højtydende radiosystemer, og som nu vides at eksistere i naturen.

Neuroner synger i harmoni

Lad os tage et øjeblik til kun at fokusere på en af ​​de hundreder af milliarder nervefibre i den menneskelige hjerne, hvoraf mange typisk er aktive på et givet tidspunkt. De gør alle deres del for at udføre tankeprocesser, der giver mennesker mulighed for at fungere med succes og interagere meningsfuldt med hinanden - understøttende evner som orientering, opmærksomhed, hukommelse, problemløsning og udøvende funktion.

Mit forskerhold har udviklet en model, der oversætter biologisk hjerneaktivitet til det menneskelige hørbare område, så vi kan høre hjernen på arbejde. Sådan lyder en enkelt nervefiber, der transmitterer sit signal, i et ideelt, støjfrit miljø:

Når denne valgte nervefiber transmitterer et signal til dets måldestination andetsteds i hjernen, er det op mod baggrundsstøj forårsaget af aktiviteten af ​​alle de andre aktive fibre. Her er lyden af ​​den samme fiber, der nu er nedsænket i hjernens cocktailparty:

Baggrundsstøjen i hjernen stimulerer en lille population af andre nervefibre omkring vores valgte nervefiber til synkronisere og sende omtrent den samme besked. Denne synkronisering reducerer effekten af ​​støj og forbedrer signalets klarhed.

Det gør jobbet, men er ikke perfekt. Det ligner mange stemmer, der synger i harmoni. Hver stemme projicerer lyd ved sine unikke frekvenser i hvert øjeblik, hvor summen af ​​antallet af stemmer udvider frekvensområdet for hver enkelt stemme. Tænk på et kor, der fylder en musikhal med sin sang i modsætning til, at en solist kun synger en del. Denne strategi beriger frekvensindholdet, hæver niveauet for det transmitterede signal og øger kvaliteten af ​​modtagelsen.

Forskere beskriver dette fænomen som fremkomsten af ​​et forhold eller kobling mellem fysisk adskilte undersystemer af nervefibre. Det skaber et større, dynamisk system. Ideen er ikke så forskellig fra det 350 år gamle mysterium, der endelig blev løst, om hvordan pendulur monteret på den samme væg synkroniseres gennem små fysiske kræfter, der udøves på støttebjælken.

Mine kolleger og jeg mener, at den samme evne til at "synkronisere" kan føre til opdagelsen af ​​ikke-invasive terapeutiske behandlinger for neurologiske lidelser såsom multipel sklerose . Dette kunne opnås ved hjælp af en ikke-invasiv neuromodulatorindretning på overfladen af ​​hovedbunden for at tilvejebringe små, ikke-fysiske brugerdefinerede elektriske feltkræfter til hjernens område påvirket af sygdommen. Ved ikke-invasivt at ændre patientens hjernesignaler, vil disse elektriske feltstyrker skabe et sundere neurologisk netværksmiljø til overførsel af information.

Ligesom trommerne i et bånd hjælper hjernebølger med at 'holde rytmen.' Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Hjerner, der ruller tromlerne

Den anden måde hjerner skærer igennem signalets rod er, hvad neurovidenskabere kalder leveringsnøglen. Det er den rolle, som hjernens naturlige rytmer, populært kendt som hjernebølger.

Disse hjernerytmer er skabt af nerveceller, der affyrer i bestemte mønstre, hvilket forårsager bølger af elektrisk aktivitet ved visse meget lave frekvenser, der spænder fra ca. 0.5 til 140 cyklusser pr. Sekund. Til sammenligning fungerer smartphones med omkring 5,000,000,000 cyklusser pr. Sekund. Bølgerne, der hjælper med at levere et signal til en destination i hjernens støjende miljø, ser ud til at være enten alfabølger, 8 til 13 cykler pr. Sekund eller Beta-bølger, 13 til 32 cykler pr. Sekund.

I mit laboratorium henviser vi til denne anden aktivitet som "at trille tromlerne." Hjernebølgefrekvensen svarer til frekvensen for sub-bas eller basstromme, der bruges til at markere eller holde tid i militær, rock, pop, jazz og traditionel orkestermusik.

Disse lavfrekvente rytmer fungerer som en leveringsnøgle, der er imponeret over det transmitterede signal som en ekstra frekvens. Det er ligesom hvordan GPS signaler synkronisere telekommunikationsnetværk. Sig, at hjernebølgesignalet eller leveringsnøglen er 10 cyklusser pr. Sekund. Varigheden af ​​en cyklus er en tiendedel af et sekund, så leveringstasten giver en tidsmarkør ved modtagelsesstedet hvert tiende sekund.

Denne tidsmarkør er yderst nyttig i nøjagtig modtagelse af det transmitterede signal. Det er afgørende, at denne leveringsnøgle kun åbner eller aktiverer låsen på det tilsigtede modtagelsessted. Ideen er ikke så forskellig fra brugen af ​​en adgangskode for at få adgang til specifikt indhold.

Neurovidenskabere mener, at valget af leveringsnøgle, der anvendes afhænger af individets tilstand. For eksempel er alfabølger forbundet med vågen hvile med lukkede øjne. Betabølger er forbundet med normal vågen bevidsthed og koncentration.

Forskere antager, at der er forbundet med hver fødselsnøgle eller hjernerytme, er en liste over kognitive funktioner, der er i overensstemmelse med individets tilstand. Så for eksempel har et signal, der sendes med en 10 cyklusser pr. Sekund, alfa-bølger hjernerytme, der er imponeret over det, allerede kodet i oplysninger om vågen hvile.

Hjernebølger af elektrisk aktivitet var identificeret for næsten 100 år siden, og forskere lærer konstant mere om dem og deres rolle i adfærd og hjernefunktion.

For at forbedre telekommunikationssystemer kan forskere lære af, hvordan hjernen udfører sit arbejde. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modellering af byggede systemer på hjernen

Mit laboratoriums forskning i neurologiske netværk har konsekvenser for ikke kun at forstå den menneskelige hjerne og udvikle ikke-invasive diagnostiske procedurer og terapeutiske behandlinger til en række neurologiske dysfunktioner, men også til at designe forbedrede systemer til telekommunikation, netværk, cybersikkerhed, kunstig intelligens og robotik.

For eksempel demonstrerer den menneskelige hjerne, hvor meget mere avanceret design af telekommunikationsnetværkssystemer kan være. 5G-mobilnetværk håber at betjene omkring 1 million enheder i en kvadratkilometer. I modsætning hertil kan den menneskelige hjerne hurtigt etablere mindst 1 million forbindelser inden for en kubikcentimeter hjernevæv.

Dagens design af telekommunikationsnetværk er begrænset, fordi de i det væsentlige trækker fra principperne for en disciplin - elektroteknik og computerteknik. Selv de enkleste kredsløb i hjernen, nervefibrene, der er som forbindelserne i et telekommunikationsnetværk, fungerer på overordentlig komplekse måder i henhold til kombinerede principper for biologi, kemiteknik, maskinteknik og elektroteknik og computerteknik.

At designe systemer, der ligner den menneskelige hjernes evne, vil kræve den meget mere tværfaglige tilgang, der afspejles i min forskningsgruppe - et team fra eksperter inden for medicin, biovidenskab, teknik og avancerede materialer - og forskning partnere.

Om forfatteren

Salvatore Domenic Morgera, Professor i elektroteknik og bioteknologi, University of South Florida

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

bøger_videnskab