Как мозг сложнее, чем предполагает анатомия

Как мозг сложнее, чем предполагает анатомия Ученые до сих пор собирают вместе загадку о том, как работает мозг. Yuichiro Chino / Момент с помощью Getty Images

Как работает мозг, остается загадкой с несколькими кусочками на месте. Из них одна большая часть на самом деле является гипотезой: что есть связь между физическая структура мозга и его функциональность.

Задачи мозга включают интерпретацию сенсорных, визуальных и звуковых входов, а также речи, рассуждений, эмоций, обучения, точного управления движением и многих других. Нейробиологи предполагают, что анатомия мозга с сотнями миллиардов нервных волокон делает возможными все эти функции. «Живые провода» мозга связаны в сложные неврологические сети, которые порождают удивительные способности людей.

Казалось бы, если ученые смогут отобразить нервные волокна и их связи и записать время импульсов, которые проходят через них для более высокой функции, такой как зрение, они должны быть в состоянии решить вопрос, например, о том, как человек видит. Исследователи становятся лучше при картировании мозга, используя трактография - техника, которая визуально представляет маршруты нервного волокна с использованием трехмерного моделирования. И они становятся лучше в регистрации того, как информация перемещается через мозг, используя расширенную функциональную магнитно-резонансную томографию для измерения кровотока.

Но, несмотря на эти инструменты, никто не кажется намного ближе к выяснению как мы на самом деле видим, Нейробиология имеет только элементарное понимание того, как все это сочетается.


 Получить последнее по электронной почте

Еженедельный Журнал Ежедневно Вдохновение

Чтобы устранить этот недостаток, биоинженерные исследования моей команды фокусируется на отношениях между структурой мозга и функцией. Общая цель состоит в том, чтобы с научной точки зрения объяснить все связи - как анатомические, так и беспроводные - которые активируют различные области мозга во время когнитивных задач. Мы работаем над сложными моделями, которые лучше отражают знания ученых о функционировании мозга.

В конечном счете, более четкая картина структуры и функции может точно отразить способы, с помощью которых хирургия головного мозга пытается исправить структуру, и, наоборот, лекарства пытаются исправить функцию.

Как мозг сложнее, чем предполагает анатомия Электрические соединения ближнего поля обеспечивают еще один уровень связи в мозге. PM Images / Камень с помощью Getty Images

Беспроводные горячие точки в вашей голове

Когнитивные функции, такие как рассуждение и обучение, используют несколько различных областей мозга с последовательностью времени. Одна анатомия - нейроны и нервные волокна - не может объяснить возбуждение этих областей одновременно или в тандеме.

Некоторые соединения на самом деле «беспроводные». Эти электрические соединения ближнего поляа не физические связи, зафиксированные в трактографах.

Моя исследовательская группа работала в течение нескольких лет, детализируя происхождение этих беспроводных соединений и измерения их напряженности поля. Очень простая аналогия того, что происходит в мозге, заключается в том, как работает беспроводной маршрутизатор. Интернет доставляется на маршрутизатор через проводное соединение. Затем маршрутизатор отправляет информацию на ваш ноутбук через беспроводные соединения. Общая система передачи информации работает благодаря проводным и беспроводным соединениям.

Как мозг сложнее, чем предполагает анатомия Электрические поля происходят от заряженных частиц, текущих и выходящих из нейронов в их неизолированных узлах Ранвье. ttsz / iStock через Getty Images Plus

В случае мозга нервные клетки проводят электрические импульсы по длинным нитевидным рукам, называемым аксонами, от тела клетки к другим нейронам. Попутно беспроводные сигналы естественным образом излучаются из неизолированных частей нервных клеток. Эти пятна, у которых отсутствует защитная изоляция, которая обволакивает остальную часть аксона, называются узлы Ранвье.

Узлы Ранвье позволяют заряженным ионам диффундировать в и из нейрона, распространяя электрический сигнал вниз по аксону. Когда ионы поступают и выходят, создаются электрические поля. Интенсивность и структура этих полей зависит от активности нервной клетки.

Здесь, на Глобальный центр неврологических сетей мы сосредоточены на том, как эти беспроводные сигналы работают в мозге передавать информацию.

Нелинейный мир мозга

Исследования того, как возбужденные области мозга соответствуют когнитивным функциям, делают еще одну ошибку, когда они полагаются на предположения, которые приводят к слишком простым моделям.

Исследователи склонны моделировать отношения как линейный с одной переменной, измеряя средний размер ответа одной области мозга. Это логика позади дизайн первого слухового аппарата - если голос человека становится вдвое громче, ухо должно реагировать вдвое сильнее.

Как мозг сложнее, чем предполагает анатомия Пользователи слуховых аппаратов знают, что просто удвоение сенсорного ввода - элементарное исправление. АндрейПопов / iStock через Getty Images Plus

Но слуховые аппараты значительно улучшились за эти годы, так как исследователи стали лучше понимать, что ухо не является линейной системой, и необходима форма нелинейного сжатия, чтобы согласовать звуки, генерируемые с возможностями слушателя. На самом деле, большинство живые существа не имеют сенсорных систем, которые реагируют на стимулы линейно, один к одному.

Линейные модели предполагают, что, если вход в систему удвоится, выход этой системы также будет удвоен. Это не относится к нелинейным моделям, где может существовать много выходных значений для одного значения ввода. И большинство ученых согласны с тем, что нейронные вычисления на самом деле являются нелинейными.

Ключевой вопрос в понимании связи между мозгом и поведением заключается в том, как мозг выбирает наилучший курс действий среди конкурирующих альтернатив. Например, лобная кора головного мозга делает оптимальный выбор путем вычисление многих величин или переменных - расчет потенциальной отдачи, вероятности успеха и затрат с точки зрения времени и усилий. Поскольку система нелинейная, удвоение потенциальной отдачи может принять окончательное решение гораздо более чем в два раза с большей вероятностью.

 

Поток информации через мозг намного сложнее и динамичнее, чем может адекватно представить 2D-модель.

Линейные модели упускают из виду множество возможностей, которые могут возникнуть в работе мозга, особенно те, которые выходят за рамки анатомической структуры. Это как разница между 2D и 3D представлением об окружающем нас мире.

Современные линейные модели просто описывают средний уровень возбуждения в области мозга или поток через поверхность мозга. Это гораздо меньше информации, чем мы и мои коллеги используем при построении наших нелинейных моделей как из расширенной функциональной магнитно-резонансной томографии, так и из данных биоизображения в ближнем поле. Наши модели обеспечивают трехмерное изображение потока информации по всем поверхностям мозга и до глубины его - и позволяют нам ближе представлять, как все это работает.

Как мозг сложнее, чем предполагает анатомия Здорово выглядящий мозг может иметь функциональные проблемы. Научная библиотека фотографий через Getty Images

Нормальная анатомия, физиологическая дисфункция

Моя исследовательская группа заинтригована тем фактом, что у людей с совершенно нормальными структурами мозга все еще могут быть серьезные функциональные проблемы.

В рамках нашего исследования неврологической дисфункции мы посещаем людей в хосписе, группах поддержки по тяжелой утрате, реабилитационных учреждениях, травматологических центрах и больницах неотложной помощи. Мы постоянно поражаемся, осознавая, что люди, потерявшие близких, могут проявлять сходные симптомы для пациентов с диагнозом болезни Альцгеймера.

Горе - это серия эмоциональных, когнитивных, функциональных и поведенческих реакций на смерть или другие виды утраты. Это не состояние, а процесс, который может быть временным или постоянным.

Здорово выглядящий мозг тех, кто страдает физиологическое горе не имеют те же анатомические проблемы - в том числе сжимающиеся области мозга и нарушенные связи между сетями нейронов - которые встречаются у людей с болезнью Альцгеймера.

Мы полагаем, что это только один пример того, как горячие точки мозга - те соединения, которые не являются физическими - плюс богатство нелинейной работы мозга, могут привести к результатам, которые не будут предсказаны сканированием мозга. Вероятно, есть еще много примеров.

Эти идеи могут указать путь к смягчению серьезных неврологических состояний с помощью неинвазивных средств. Аппараты для тяжелой утраты и неинвазивные электрические нейромодуляционные устройства ближнего поля Можно уменьшить симптомы, связанные с потерей любимого человека. Возможно, эти протоколы и процедуры следует более широко предлагать пациентам, страдающим неврологической дисфункцией, когда визуализация действительно выявляет анатомические изменения. Это может спасти некоторых из этих людей от инвазивных хирургических процедур.

Диаграмма всех нефизических связей мозга с использованием наших последних достижений в области электрического картирования ближнего поля и использование того, что мы считаем биологически реалистичными нелинейными моделями с множеством переменных, позволит нам еще на шаг приблизиться к тому, куда мы хотим идти. Лучшее понимание мозга не только уменьшит потребность в инвазивных операционных процедурах для исправления функций, но также приведет к созданию лучших моделей того, что мозг делает лучше всего: вычисления, память, сетевое взаимодействие и распространение информации.Беседа

Об авторе

Сальваторе Доменик Моргера, профессор электротехники и биоинженерии, выдающийся инженер Тау Бета Пи, Университет Южной Флориды

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

books_health

ДОСТУПНЫЕ ЯЗЫКИ

Английский Африкаанс арабском Китайский (упрощенное письмо) Китайский (традиционный) датский язык Dutch филиппинский Finnish Французский Немецкий Греческий древнееврейский Хинди венгерский Indonesian Итальянский Японский Korean Malay Norwegian персидский Польский Португальский Румынский Русский Испанский суахили Swedish Thai Турецкий украинский урду вьетнамский

Следуйте за InnerSelf

значок facebookзначок Twitterзначок YouTubeзначок Instagramпиктограммазначок rss

 Получить последнее по электронной почте

Еженедельный Журнал Ежедневно Вдохновение

Новое отношение - новые возможности

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholistPolitics.com | Рынок InnerSelf
Copyright © 1985 - 2021 Innerself Публикации. Все права защищены.