Как мозг настраивается на один нервный сигнал из миллиардов?

Как мозг настраивается на один нервный сигнал из миллиардов? Ваш мозг управляет несколькими оркестрами информации одновременно. Enlighted Audio, CC BY

Человеческий мозг посылает сотни миллиардов нейронных сигналов каждую секунду. Это чрезвычайно сложный подвиг.

Здоровый мозг должен установить огромное количество правильных соединений и гарантировать, что они остаются точными в течение всего периода передачи информации - это может занять несколько секунд, что в «мозговое время» довольно долго.

Как каждый сигнал попадает в пункт назначения?

Задача для вашего мозга похожа на то, с чем вы сталкиваетесь, пытаясь вступить в разговор на шумной коктейльной вечеринке. Вы можете сосредоточиться на человеке, с которым разговариваете, и «отключить» другие обсуждения. Это явление избирательного слуха - то, что называется эффект коктейльной вечеринки.

Когда все на большой, многолюдной вечеринке говорят примерно с одинаковой громкостью, средний уровень звука человека, с которым вы разговариваете, примерно равен среднему уровню всех собеседников всех сторонников. Если бы это была система спутникового телевидения, этот примерно равный баланс желаемого сигнала и фонового шума привел бы к плохому приему. Тем не менее, этот баланс достаточно хорош, чтобы вы могли понять разговор на шумной вечеринке.

Как человеческий мозг делает это, различая миллиарды текущих «разговоров» внутри себя и привязываясь к определенному сигналу для доставки?

Исследования моей команды В неврологических сетях мозга показано, что есть две активности, которые поддерживают его способность устанавливать надежные связи в присутствии значительного биологического фонового шума. Хотя механизмы мозга довольно сложны, эти два действия действуют как то, что инженер-электрик называет согласованный фильтр - элемент обработки, используемый в высокопроизводительных радиосистемах, и в настоящее время известно, что он существует в природе.


Получите последние новости от InnerSelf


Нейроны поют в гармонии

Давайте уделим минуту тому, чтобы сосредоточиться только на одном из сотен миллиардов нервных волокон человеческого мозга, многие из которых обычно активны в любой момент времени. Все они вносят свой вклад в выполнение мыслительных процессов, которые позволяют людям успешно функционировать и осмысленно взаимодействовать друг с другом - поддерживая такие способности, как ориентация, внимание, память, решение проблем и исполнительные функции.

Моя исследовательская группа разработала модель, которая переводит биологическую активность мозга в диапазон слышимости человека, поэтому мы слышу мозг на работе. Вот как звучит одиночное нервное волокно, передающее свой сигнал, в идеальной, свободной от шума среде:

Активность отдельного нервного волокна транслируется в слышимый человеком диапазон. Автор предоставлен (без повторного использования)119 KB (Скачать)

Когда это выбранное нервное волокно передает сигнал к месту назначения в другом месте в мозге, оно против фонового шума, вызванного активностью всех других активных волокон. Вот звук того же волокна, которое теперь погружено в коктейльную вечеринку мозга:

Активность одного нервного волокна на фоне всего, что происходит в мозге. Автор предоставлен (без повторного использования)119 KB (Скачать)

Фоновый шум в мозге стимулирует небольшую популяцию других нервных волокон вокруг выбранного нами нервного волокна для синхронизировать и передать примерно одно и то же сообщение. Эта синхронизация уменьшает влияние шума и улучшает четкость сигнала.

Это делает работу, но не идеально. Это похоже на многие голоса, поющие в гармонии. Каждый голосовой проект воспроизводит звук на своих уникальных частотах в каждый момент, причем сумма множества голосов расширяет диапазон частот каждого отдельного голоса. Подумайте о хоре, наполняющем музыкальный зал своей песней, в отличие от солиста, поющего только одну партию. Эта стратегия обогащает частотный контент, повышает уровень передаваемого сигнала и повышает качество приема.

Ученые описывают это явление как возникновение связи или связи между физически разделенными подсистемами нервных волокон. Это создает большую динамическую систему. Идея не так сильно отличается от тайны 350-летней давности, наконец решенной, о том, как маятниковые часы смонтированные на той же стене синхронизируются с помощью небольших физических сил, действующих на опорную балку.

Я и мои коллеги полагаем, что такая же способность «синхронизироваться» может привести к открытию неинвазивного терапевтического лечения неврологических расстройств, таких как рассеянный склероз, Это может быть достигнуто с помощью неинвазивного нейромодуляторного устройства на поверхности кожи головы, чтобы подавать небольшие нефизические нестандартные силы электрического поля в область мозга. пострадавших от болезни, Неинвазивно изменяя сигналы мозга пациента, эти силы электрического поля создали бы более здоровую неврологическую сетевую среду для передачи информации.

Как мозг настраивается на один нервный сигнал из миллиардов? Как и барабаны в группе, мозговые волны помогают «держать ритм». Джош Соренсон / Unsplash, CC BY

Мозги катят барабаны

Второй способ, которым мозги прорезают беспорядок сигнала, - это то, что нейробиологи называют ключом доставки. Это роль, которую играют естественные ритмы мозга, широко известный как мозговые волны.

Эти мозговые ритмы создаются нервными клетками, которые запускаются определенным образом, вызывая волны электрической активности на определенных очень низких частотах, от примерно 0.5 до 140 циклов в секунду. Для сравнения: смартфоны работают со скоростью около 5,000,000,000 в секунду. Волны, которые помогают доставить сигнал к месту назначения в шумной среде мозга, представляются либо альфа-волнами, 8-13-циклами в секунду, либо бета-волнами, 13-32-циклами в секунду.

В моей лаборатории мы называем это второе занятие «катанием барабанов». Частота мозговых волн похожа на частоту суб-баса или бас-барабана, который используется для обозначения или сохранения времени в военном, рок, поп, джазе и традиционном оркестре. Музыка.

Эти низкочастотные ритмы действуют как ключ доставки, который впечатывается в передаваемый сигнал в качестве дополнительной частоты. Это вроде как сигналы GPS синхронизировать телекоммуникационные сети. Скажем, что сигнал мозгового сигнала или ключ доставки - это 10 циклов в секунду. Продолжительность одного цикла составляет одну десятую секунды, поэтому ключ доставки дает метку времени в точке приема каждую десятую секунды.

Этот временной маркер чрезвычайно полезен для точного приема передаваемого сигнала. Важно отметить, что этот ключ доставки только открывает или активирует блокировку в предполагаемой точке приема. Идея не так уж отличается от использования пароля для получения доступа к конкретному контенту.

Нейробиологи считают, что при выборе ключа доставки использовали зависит от состояния личности, Например, альфа-волны связаны с бодрствующим отдыхом с закрытыми глазами. Бета-волны связаны с нормальным бодрствующим сознанием и концентрацией.

Ученые предполагают, что с каждым ключом доставки, или ритмом мозга, связан список когнитивных функций, соответствующих состоянию индивидуума. Так, например, сигнал, посылаемый с отпечатанным на нем альфа-волновым ритмом альфа-волны 10 в секунду, уже содержит в себе информацию о бодрствующем отдыхе.

Мозговые волны электрической активности были идентифицировано почти 100 лет назади исследователи постоянно узнают больше о них и их роли в поведении и функционировании мозга.

Как мозг настраивается на один нервный сигнал из миллиардов? Чтобы улучшить телекоммуникационные системы, исследователи могут извлечь уроки из того, как мозг работает. Марио Карузо / Unsplash, CC BY

Моделирование встроенных систем на мозг

Исследования моей лаборатории в области неврологических сетей имеют значение не только для понимания человеческого мозга и разработки неинвазивных диагностических процедур и терапевтических методов лечения различных неврологических дисфункций, но также для разработки улучшенных систем для телекоммуникаций, сетей, кибербезопасности, искусственного интеллекта и робототехники.

Например, человеческий мозг демонстрирует, насколько более совершенными могут быть конструкции систем телекоммуникационных сетей. Сотовые сети 5G надеюсь обслужить около 1 миллионов устройств на квадратную милю. Напротив, человеческий мозг может быстро установить, по крайней мере, 1 миллионов соединений в пределах кубический дюйм ткани мозга.

Современные системы телекоммуникационных сетей ограничены, потому что они основаны на принципах одной дисциплины - электротехники и компьютерной техники. Даже самые простые цепи мозга, нервные волокна, которые подобны звеньям телекоммуникационной сети, работают чрезвычайно сложным образом в соответствии с объединенными принципами биологии, химической инженерии, машиностроения, электротехники и вычислительной техники.

Проектирование систем, схожих по своим возможностям с человеческим мозгом, потребует гораздо более междисциплинарного подхода, отраженного в моей исследовательской группе - команде, состоящей из экспертов в области медицины, наук о жизни, инженерии и передовых материалов - и исследование партнеры.

Об авторе

Сальваторе Доменик МоргераПрофессор электротехники и биоинженерии, Университет Южной Флориды

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

books_science

enafarZH-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

Следуйте за InnerSelf

facebook-значокTwitter-значокНовости-значок

Получить последнее по электронной почте

{Emailcloak = выкл}

ВНУТРЕННИЕ ГОЛОСЫ

В поисках более осмысленной и целеустремленной жизни
В поисках более осмысленной и целеустремленной жизни
by Фрэнк Паскиути, доктор философии
Привет! Они играют нашу песню
Привет! Они играют нашу песню
by Мари Т. Рассел, Внутренний

САМОЕ ЧИТАЕМОЕ

Как воспоминания формируются и извлекаются мозгом
Как воспоминания формируются и извлекаются мозгом
by Бенджамин Дж. Гриффитс и Саймон Ханслмайр