Ваш мозок диригує кількома оркестрами інформації одночасно. Підсвічений звук, CC BY

Мозок людини посилає сотні мільярдів нейронних сигналів щосекунди. Це надзвичайно складний подвиг.

Здоровий мозок повинен встановити величезну кількість правильних зв’язків і забезпечити, щоб вони залишались точними протягом усього періоду передачі інформації - це може зайняти секунди, що в “мозку часу” досить тривалий.

Як кожен сигнал потрапляє до місця призначення?

Проблема для вашого мозку подібна до тієї, з якою ви стикаєтесь, намагаючись вступити в розмову на галасливій коктейльній вечірці. Ви можете зосередитись на людині, з якою розмовляєте, і “приглушити” інші дискусії. Це явище - селективний слух - те, що називається ефект коктейльної вечірки.

Коли всі у великій багатолюдній вечірці розмовляють приблизно з однаковою гучністю, середній рівень звуку того, з ким ви розмовляєте, приблизно дорівнює середньому рівню балаканини інших учасників вечірки разом узятих. Якби це була система супутникового телебачення, такий приблизно рівний баланс бажаного сигналу та фонового шуму призвів би до поганого прийому. Тим не менше, цей баланс досить хороший, щоб ви могли зрозуміти розмову на галасливій вечірці.

Як це робить людський мозок, розмежовуючи мільярди постійних “розмов” у собі і фіксуючи конкретний сигнал для доставки?

Дослідження моєї команди У неврологічні мережі мозку показано, що існує дві дії, які підтримують його здатність встановлювати надійні зв’язки за наявності значного біологічного фонового шуму. Хоча механізми мозку досить складні, ці дві дії діють як те, що інженер-електрик називає a відповідний фільтр - обробний елемент, що використовується у високопродуктивних радіосистемах і зараз відомий у природі.

Нейрони, що співають у гармонії

Візьмемо хвилинку, щоб зосередитись лише на одному з сотень мільярдів нервових волокон в мозку людини, серед яких багато хто, як правило, активні в будь-який момент часу. Всі вони роблять свою роботу для здійснення процесів мислення, які дозволяють людям успішно функціонувати та змістовно взаємодіяти між собою - підтримуючи такі здібності, як орієнтація, увага, пам’ять, вирішення проблем та виконавча функція.

Моя дослідницька група розробила модель, яка переводить біологічну активність мозку в чутний для людини діапазон, тому ми може чути мозок на роботі. Ось як звучить одне нервове волокно, яке передає свій сигнал, в ідеальному, безшумному середовищі:

Коли це обране нервове волокно передає сигнал до місця призначення в іншому місці мозку, воно протиставляється фоновому шуму, викликаному активністю всіх інших активних волокон. Ось звук тієї самої клітковини, яка зараз занурена в коктейльну вечірку мозку:

Фоновий шум у мозку стимулює невелику популяцію інших нервових волокон навколо вибраного нами нервового волокна синхронізувати і передавати приблизно одне і те ж повідомлення. Ця синхронізація зменшує ефект шуму та покращує чіткість сигналу.

Це робить роботу, але не ідеально. Це схоже на багато голосів, що співають у гармонії. Кожен голос проектує звук на своїх унікальних частотах в кожний момент, загальна сума безлічі голосів розширює діапазон частот кожного окремого голосу. Подумайте про хор, який наповнює музичний зал своєю піснею, на відміну від соліста, який співає лише одну партію. Ця стратегія збагачує частотний вміст, підвищує рівень переданого сигналу та підвищує якість прийому.

Вчені описують це явище як виникнення взаємозв'язку або зчеплення між фізично відокремленими підсистемами нервових волокон. Це створює більшу, динамічну систему. Ідея не настільки відрізняється від 350-річної таємниці, нарешті розгаданої, як маятникові годинники встановлені на одній стінці синхронізуються за рахунок невеликих фізичних сил, що діють на несучу балку.

Ми з колегами вважаємо, що ця сама здатність "синхронізуватись" може призвести до відкриття неінвазивного терапевтичного лікування неврологічних розладів, таких як розсіяний склероз. Цього можна досягти за допомогою неінвазивного нейромодуляторного пристрою на поверхні шкіри голови, щоб забезпечити невеликі нефізичні сили електричного поля в області мозку уражені хворобою. Неінвазивно змінюючи сигнали мозку пацієнта, ці сили електричного поля створювали б більш здорове неврологічне мережеве середовище для передачі інформації.

Як і барабани в групі, мозкові хвилі допомагають "підтримувати ритм". Джош Соренсон / Unsplash, CC BY

Мізки, що котять барабани

Другий спосіб, яким мозок пробивається через безлад, - це те, що неврологи називають ключем доставки. Це роль, яку відіграє природні ритми мозку, в народі відомий як мозкові хвилі.

Ці мозкові ритми створюються нервовими клітинами, які спрацьовують певним чином, викликаючи хвилі електричної активності на певних дуже низьких частотах, коливаючись приблизно від 0.5 до 140 циклів в секунду. Для порівняння, смартфони працюють приблизно з 5,000,000,000 8 13 13 циклів в секунду. Хвилі, які допомагають подавати сигнал до місця призначення в галасливому середовищі мозку, здаються або хвилями Альфа, 32-XNUMX циклів в секунду, або бета-хвилями, XNUMX XNUMX циклів в секунду.

У моїй лабораторії ми називаємо цю другу діяльність як "катання на барабанах". Частота мозкових хвиль подібна до частоти суббасу або басового барабана, що використовується для позначення чи збереження часу у військовій, рок, поп-музиці, джазі та традиційній оркестровій музиці.

Ці низькочастотні ритми діють як ключ доставки, який вражається на переданому сигналі як додаткова частота. Це як би як Сигнали GPS синхронізувати телекомунікаційні мережі. Скажімо, що сигнал або ключ доставки мозкової хвилі становить 10 циклів в секунду. Тривалість одного циклу становить десяту частку секунди, тому ключ доставки видає маркер часу в пункті прийому кожні десяті секунди.

Цей маркер часу надзвичайно корисний для точного прийому переданого сигналу. Найважливіше, що цей ключ доставки лише відкриває або активує замок у передбачуваному пункті прийому. Ідея не настільки відрізняється від використання пароля для отримання доступу до певного вмісту.

Неврологи вважають, що при виборі ключа доставки використовується залежить від стану особистості. Наприклад, альфа-хвилі асоціюються із спокійним спокоєм із закритими очима. Бета-хвилі асоціюються з нормальною свідомістю та концентрацією уваги.

Вчені припускають, що пов'язаний з кожним ключем доставки, або ритмом мозку, є переліком когнітивних функцій, що відповідає стану людини. Так, наприклад, сигнал, що надсилається з ритмом мозку альфа-хвилі, що надсилається 10 циклів на секунду, вже вражений на ньому, вже має закодовану інформацію про неспокійний відпочинок.

Мозкові хвилі електричної активності були ідентифіковані майже 100 років тому, а дослідники постійно дізнаються більше про них та їх роль у поведінці та роботі мозку.

Для вдосконалення телекомунікаційних систем дослідники можуть навчитися тому, як мозок виконує свою роботу. Маріо Карузо / Unsplash, CC BY

Моделювання побудованих систем на мозку

Дослідження моєї лабораторії неврологічних мереж має наслідки не лише для розуміння людського мозку та розробки неінвазивних діагностичних процедур та терапевтичних методів лікування різних неврологічних дисфункцій, але також для розробки вдосконалених систем телекомунікацій, мереж, кібербезпеки, штучного інтелекту та робототехніки.

Наприклад, людський мозок демонструє, наскільки більш досконалими можуть бути конструкції систем телекомунікаційних мереж. 5G стільникові мережі сподіваюся обслуговувати близько 1 мільйона пристроїв за квадратну милю. На відміну від цього, мозок людини може швидко встановити принаймні 1 мільйон зв’язків у межах кубічний дюйм мозкової тканини.

Сучасні конструкції систем телекомунікаційних мереж є обмеженими, оскільки вони по суті виходять з принципів однієї дисципліни - електротехніки та обчислювальної техніки. Навіть найпростіші схеми головного мозку, нервові волокна, подібні до ланок у телекомунікаційній мережі, діють надзвичайно складними способами відповідно до поєднаних принципів біології, хімічної інженерії, машинобудування та електротехніки та обчислювальної техніки.

Проектування систем, подібних за здатністю до людського мозку, вимагатиме набагато мультидисциплінарного підходу, відображеного в моїй дослідницькій групі - групі, яка складається з експертів у галузі медицини, наук про життя, техніки та сучасних матеріалів - дослідження партнери.

Про автора

Сальваторе Доменік Моргера, Професор електротехніки та біоінженерії, Університет Південної Флориди

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

книги_науки