Forskere samler stadig puslespillet om, hvordan hjernen fungerer. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images

Hvordan hjernen fungerer forbliver et puslespil med kun et par stykker på plads. Af disse er et stort stykke faktisk en formodning: at der er et forhold mellem hjernens fysiske struktur og dens funktionalitet.

Hjernens job inkluderer fortolkning af berøring, visuelle og lydindgange samt tale, ræsonnement, følelser, læring, fin kontrol over bevægelse og mange andre. Neuroforskere antager, at det er hjernens anatomi - med sine hundreder af milliarder nervefibre - der gør alle disse funktioner mulige. Hjernens "levende ledninger" er forbundet i udførlige neurologiske netværk, der giver anledning til menneskers fantastiske evner.

Det ser ud til, at hvis forskere kan kortlægge nervefibrene og deres forbindelser og registrere timingen af ​​impulser, der strømmer gennem dem til en højere funktion som vision, skal de være i stand til at løse spørgsmålet om, hvordan man for eksempel ser. Forskere bliver bedre til at kortlægge hjernen ved hjælp af traktografi - en teknik, der visuelt repræsenterer nervefiberruter ved hjælp af 3D-modellering. Og de bliver bedre til at registrere, hvordan information bevæger sig gennem hjernen ved hjælp af forbedret funktionel magnetisk resonansbilleddannelse til at måle blodgennemstrømningen.

Men på trods af disse værktøjer synes ingen meget tættere på at finde ud af hvordan vi virkelig ser. Neurovidenskab har kun en rudimentær forståelse af, hvordan det hele passer sammen.

For at løse denne mangel, mit teams forskning inden for bioteknologi fokuserer på forholdet mellem hjernestruktur og funktion. Det overordnede mål er at videnskabeligt forklare alle forbindelser - både anatomiske og trådløse - der aktiverer forskellige hjerneområder under kognitive opgaver. Vi arbejder på komplekse modeller, der bedre fanger, hvad forskere kender til hjernens funktion.

I sidste ende kan et klarere billede af struktur og funktion finjustere måderne, hvorpå hjernekirurgi forsøger at korrigere struktur, og omvendt forsøger medicin at korrigere funktion.

Elektriske nærfeltforbindelser giver et andet niveau af kommunikation i hjernen. PM Images / Stone via Getty Images

Trådløse hot spots i dit hoved

Kognitive funktioner såsom ræsonnement og indlæring bruger en række forskellige hjerneområder på en tidssekvenseret måde. Anatomi alene - neuronerne og nervefibrene - kan ikke forklare excitationen af ​​disse regioner, samtidig eller i tandem.

Nogle forbindelser er faktisk "trådløse". Disse er elektriske nærfeltforbindelserog ikke de fysiske forbindelser fanget i traktografer.

Mit forskergruppe har arbejdet i flere år med detaljer om oprindelsen af ​​disse trådløse forbindelser og måle deres feltstyrker. En meget enkel analogi af, hvad der foregår i hjernen, er, hvordan en trådløs router fungerer. Internettet leveres til en router via en kabelforbindelse. Routeren sender derefter oplysningerne til din bærbare computer ved hjælp af trådløse forbindelser. Det overordnede system til informationsoverførsel fungerer på grund af både kabelforbundne og trådløse forbindelser.

Elektriske felter stammer fra ladede partikler, der strømmer ind og ud af neuroner ved deres uisolerede noder i Ranvier. ttsz / iStock via Getty Images Plus

I hjernens tilfælde leder nerveceller elektriske impulser ned langs lange trådlignende arme kaldet axoner fra cellekroppen til andre neuroner. Undervejs udsendes trådløse signaler naturligt fra uisolerede dele af nerveceller. Disse pletter, der mangler den beskyttende isolering, der omslutter resten af ​​axonen, kaldes knuder af Ranvier.

Knudepunkterne i Ranvier tillader ladede ioner at diffundere ind og ud af neuronen og udbrede det elektriske signal ned ad axonen. Når ionerne strømmer ind og ud, genereres elektriske felter. Intensiteten og strukturen af ​​disse felter afhænger af nervecellens aktivitet.

Her på Globalt Center for Neurologiske Netværk vi fokuserer på, hvordan disse trådløse signaler fungerer i hjernen at kommunikere information.

Hjernens ikke-lineære verden

Undersøgelser af, hvordan spændte hjerneområder matcher kognitive funktioner, begår endnu en fejl, når de stoler på antagelser, der fører til alt for enkle modeller.

Forskere har en tendens til at modellere forholdet som lineær med en enkelt variabel, der måler den gennemsnitlige størrelse af en enkelt hjerneområdes respons. Det er logikken bag design af det første høreapparat - hvis en persons stemme vokser dobbelt så højt, skal øret reagere dobbelt så meget.

Høreapparatbrugere ved, at bare fordobling af det sensoriske input er en rudimentær løsning. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus

Men høreapparater er forbedret kraftigt gennem årene, da forskere er kommet bedre til at forstå, at øret ikke er et lineært system, og der er behov for en form for ikke-lineær kompression for at matche de genererede lyde til lytterens evne. Faktisk de fleste levende ting har ikke sensingsystemer, der reagerer på en lineær, en-til-en-måde på stimuli.

Lineære modeller antager, at hvis input til et system fordobles, vil output fra det system også blive fordoblet. Dette gælder ikke for ikke-lineære modeller, hvor der kan eksistere mange outputværdier for den enkelte værdi af inputet. Og de fleste forskere er enige om det neurale beregninger er faktisk ikke-lineære.

Et afgørende spørgsmål i forståelsen af ​​sammenhængen mellem hjerne og adfærd er, hvordan hjernen beslutter den bedste fremgangsmåde blandt konkurrerende alternativer. For eksempel foretager hjernens frontale cortex optimale valg ved beregner mange størrelser eller variabler - beregning af den potentielle udbetaling, sandsynligheden for succes og omkostningerne med hensyn til tid og kræfter. Da systemet er ikke-lineært, kan en fordobling af den potentielle udbetaling træffe en endelig beslutning meget mere end dobbelt så sandsynligt.

Informationsstrømmen gennem hjernen er meget mere kompleks og dynamisk end en 2D-model tilstrækkeligt kan repræsentere.

Lineære modeller går glip af det rige udvalg af muligheder, der kan opstå i hjernens funktion, især dem ud over hvad anatomisk struktur ville antyde. Det er som forskellen mellem en 2D- og 3D-repræsentation af verden omkring os.

Nuværende lineære modeller beskriver bare det gennemsnitlige niveau af excitation i et hjerneområde eller strømmen over en hjerneoverflade. Det er meget mindre information end mine kolleger og jeg bruger, når jeg bygger vores ikke-lineære modeller fra både forbedret funktionel magnetisk resonansbilleddannelse og elektriske nærfeltbiobilleddata. Vores modeller giver et 3D-billede af informationsstrømmen over hjernens overflader og til dybderne i den - og får os tættere på at repræsentere, hvordan det hele fungerer.

En sund hjerne kan have funktionelle problemer. Videnskab fotobibliotek via Getty Images

Normal anatomi, fysiologisk dysfunktion

Mit forskerhold er fascineret af det faktum, at mennesker med helt normale hjernestrukturer stadig kan have store funktionelle problemer.

Som en del af vores forskning i neurologisk dysfunktion besøger vi enkeltpersoner i hospice, støttegrupper for dødsfald, rehabiliteringsplejefaciliteter, traumecentre og akutte hospitaler. Vi er konsekvent bange for at indse, at folk, der har mistet deres kære, kan udviser lignende symptomer hos patienter fra Alzheimers sygdom.

Sorg er en række følelsesmæssige, kognitive, funktionelle og adfærdsmæssige reaktioner på døden eller andre former for tab. Det er ikke en tilstand, men snarere en proces, som enten kan være midlertidig eller igangværende.

De sundt udseende hjerner hos dem der lider fysiologisk sorg har ikke de samme anatomiske problemer - inklusive krympede hjerneområder og forstyrrede forbindelser mellem netværk af neuroner - som findes hos mennesker med Alzheimers sygdom.

Vi mener, at dette kun er et eksempel på, hvordan hjernens hot spots - de forbindelser, der ikke er fysiske - plus rigdom af hjernens ikke-lineære operation kan føre til resultater, der ikke ville blive forudsagt af en hjernescanning. Der er sandsynligvis mange flere eksempler.

Disse ideer kan vise vejen til afbødning af alvorlige neurologiske tilstande gennem ikke-invasive midler. Sorgsterapi og ikke-invasive, elektriske neuromodulationsanordninger i nærheden af ​​feltet kan reducere symptomerne forbundet med tabet af en elsket. Måske bør disse protokoller og procedurer udbydes bredere til patienter, der lider af neurologisk dysfunktion, hvor billeddannelse afslører anatomiske ændringer. Det kunne redde nogle af disse personer fra invasive kirurgiske procedurer.

Diagrammering af alle hjernens ikke-fysiske forbindelser ved hjælp af vores nylige fremskridt inden for kortlægning af elektrisk nærfelt og anvendelse af det, som vi mener er biologisk realistiske mange-variable ikke-lineære modeller, vil bringe os et skridt tættere på, hvor vi vil hen. Bedre forståelse af hjernen vil ikke kun reducere behovet for invasive driftsprocedurer for at korrigere funktion, men vil også føre til bedre modeller for, hvad hjernen gør bedst: beregning, hukommelse, netværk og informationsdistribution.

Om forfatteren

Salvatore Domenic Morgera, professor i elektroteknik og bioteknologi, Tau Beta Pi Eminent Engineer, University of South Florida

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

bøger_sundhed