Para saintis masih mengumpulkan teka-teki bagaimana otak berfungsi. Yuichiro Chino / Moment melalui Getty Images
Bagaimana otak berfungsi tetap menjadi teka-teki dengan hanya beberapa bahagian sahaja. Daripada jumlah ini, satu bahagian besar sebenarnya adalah dugaan: bahawa ada hubungan antara struktur fizikal otak dan fungsinya.
Tugas otak termasuk menafsirkan input sentuhan, visual dan suara, serta pertuturan, penaakulan, emosi, pembelajaran, kawalan pergerakan yang baik dan banyak lagi. Ahli sains saraf menganggap bahawa anatomi otak - dengan ratusan bilion serat sarafnya - yang memungkinkan semua fungsi ini dapat dilakukan. "Kabel hidup" otak dihubungkan dalam rangkaian neurologi yang rumit yang menimbulkan kemampuan luar biasa manusia.
Nampaknya jika para saintis dapat memetakan serat saraf dan sambungannya dan mencatat waktu impuls yang mengalir melalui mereka untuk fungsi yang lebih tinggi seperti penglihatan, mereka seharusnya dapat menyelesaikan persoalan bagaimana seseorang melihat, misalnya. Para penyelidik semakin pandai memetakan otak menggunakan traktografi - teknik yang secara visual mewakili laluan gentian saraf menggunakan pemodelan 3D. Dan mereka menjadi lebih baik dalam merakam bagaimana maklumat bergerak melalui otak dengan menggunakan pengimejan resonans magnetik yang berfungsi untuk mengukur aliran darah.
Tetapi terlepas dari alat ini, tidak ada yang kelihatan lebih dekat untuk mengetahui bagaimana kita benar-benar melihat. Neurosains hanya mempunyai pemahaman dasar tentang bagaimana semuanya sesuai.
Untuk mengatasi kekurangan ini, penyelidikan bioengineering pasukan saya memberi tumpuan kepada hubungan antara struktur dan fungsi otak. Tujuan keseluruhannya adalah untuk menerangkan secara saintifik semua hubungan - baik anatomi dan tanpa wayar - yang mengaktifkan kawasan otak yang berbeza semasa tugas kognitif. Kami sedang mengusahakan model yang kompleks yang dapat menangkap apa yang diketahui oleh saintis mengenai fungsi otak.
Pada akhirnya gambaran struktur dan fungsi yang lebih jelas dapat memperbaik cara pembedahan otak untuk membetulkan struktur dan, sebaliknya, ubat cuba memperbaiki fungsi.
Sambungan medan dekat elektrik memberikan tahap komunikasi lain di dalam otak. Gambar PM / Batu melalui Getty Images
Tempat panas tanpa wayar di kepala anda
Fungsi kognitif seperti penaakulan dan pembelajaran menggunakan sebilangan kawasan otak yang berbeza mengikut urutan masa. Anatomi sahaja - neuron dan gentian saraf - tidak dapat menjelaskan pengujaan kawasan ini, secara serentak atau bersamaan.
Sebilangan sambungan sebenarnya "tanpa wayar." Ini adalah sambungan elektrik berhampiran medan, dan bukan hubungan fizikal yang ditangkap dalam traktograf.
Pasukan penyelidik saya telah bekerja selama beberapa tahun dengan terperinci asal sambungan tanpa wayar ini dan mengukur kekuatan medan mereka. Analogi yang sangat mudah mengenai apa yang berlaku di otak adalah bagaimana penghala tanpa wayar berfungsi. Internet dihantar ke penghala melalui sambungan berwayar. Penghala kemudian menghantar maklumat ke komputer riba anda menggunakan sambungan tanpa wayar. Keseluruhan sistem pemindahan maklumat berfungsi kerana sambungan berwayar dan tanpa wayar.
Medan elektrik berpunca dari zarah bermuatan yang mengalir masuk dan keluar dari neuron di simpul Ranvier yang tidak bertebat. ttsz / iStock melalui Getty Images Plus
Dalam kes otak, sel-sel saraf melakukan impuls elektrik ke lengan panjang seperti benang yang disebut akson dari badan sel ke neuron lain. Sepanjang perjalanan, isyarat tanpa wayar secara semula jadi dipancarkan dari bahagian sel saraf yang tidak terisolasi. Titik-bintik ini yang tidak mempunyai penebat pelindung yang membungkus sisa akson disebut nod Ranvier.
Nod Ranvier membolehkan ion bermuatan meresap masuk dan keluar dari neuron, menyebarkan isyarat elektrik ke bawah akson. Semasa ion mengalir masuk dan keluar, medan elektrik dihasilkan. Keamatan dan struktur bidang ini bergantung pada aktiviti sel saraf.
Di sini Pusat Global untuk Rangkaian Neurologi kita fokus pada bagaimana ini isyarat tanpa wayar berfungsi di otak untuk menyampaikan maklumat.
Dunia otak yang tidak linear
Penyelidikan tentang bagaimana kawasan otak yang bersemangat sesuai dengan fungsi kognitif membuat kesalahan lain ketika mereka bergantung pada andaian yang membawa kepada model yang terlalu sederhana.
Penyelidik cenderung memodelkan hubungan sebagai linear dengan pemboleh ubah tunggal, mengukur ukuran purata tindak balas kawasan otak tunggal. Ini logik di sebalik reka bentuk alat bantu dengar pertama - jika suara seseorang tumbuh dua kali lebih kuat, telinga harus bertindak balas dua kali lebih banyak.
Pengguna alat bantu dengar tahu bahawa hanya menggandakan input sensori adalah kaedah yang tidak tepat. AndreyPopov / iStock melalui Getty Images Plus
Tetapi alat bantu pendengaran telah bertambah baik selama bertahun-tahun kerana para penyelidik semakin memahami bahawa telinga bukan sistem linier, dan bentuk pemampatan nonlinear diperlukan untuk menyesuaikan suara yang dihasilkan dengan kemampuan pendengar. Sebenarnya, kebanyakan makhluk hidup tidak mempunyai sistem penginderaan yang bertindak balas secara linear, satu-ke-satu terhadap rangsangan.
Model linier menganggap bahawa jika input ke sistem digandakan, output sistem itu juga akan dua kali ganda. Ini tidak berlaku untuk model bukan linier, di mana banyak nilai output dapat wujud untuk satu nilai input. Dan kebanyakan saintis bersetuju bahawa pengiraan saraf sebenarnya tidak linear.
Soalan penting dalam memahami kaitan antara otak dan tingkah laku adalah bagaimana otak menentukan tindakan terbaik di antara alternatif yang bersaing. Sebagai contoh, korteks frontal otak membuat pilihan yang optimum dengan mengira banyak kuantiti, atau pemboleh ubah - mengira potensi hasil, kemungkinan kejayaan dan kos dari segi masa dan usaha. Oleh kerana sistem ini tidak linier, menggandakan potensi pembayaran mungkin membuat keputusan akhir lebih dari dua kali lebih mungkin.
{vembed V = 394259925} Aliran maklumat melalui otak jauh lebih kompleks dan dinamik daripada model 2D yang cukup dapat ditunjukkan.
Model linier kehilangan banyak kemungkinan yang boleh berlaku dalam fungsi otak, terutama yang diluar struktur anatomi. Ini seperti perbezaan antara representasi 2D dan 3D dari dunia di sekeliling kita.
Model linier semasa hanya menggambarkan tahap pengujaan rata-rata di kawasan otak, atau aliran melintasi permukaan otak. Maklumat itu jauh lebih sedikit daripada yang saya dan rakan saya gunakan semasa membina model bukan linier dari kedua-dua pengimejan resonans magnetik berfungsi dan data bioimaging medan dekat elektrik. Model kami memberikan gambaran 3D mengenai aliran maklumat ke seluruh permukaan otak dan ke dalamnya - dan mendekatkan kami untuk menggambarkan bagaimana semuanya berfungsi.
Otak yang kelihatan sihat boleh mengalami masalah fungsional. Perpustakaan Foto Sains melalui Getty Images
Anatomi normal, disfungsi fisiologi
Pasukan penyelidik saya tertarik dengan kenyataan bahawa orang yang mempunyai struktur otak yang kelihatan normal masih boleh mengalami masalah fungsi utama.
Sebagai sebahagian daripada penyelidikan kami mengenai disfungsi neurologi, kami mengunjungi individu di rumah sakit, kumpulan sokongan berkabung, kemudahan rawatan pemulihan, pusat trauma dan hospital rawatan akut. Kami secara konsisten terkejut untuk menyedari bahawa orang yang kehilangan orang tersayang boleh menunjukkan simptom yang serupa kepada pesakit yang didiagnosis menghidap penyakit Alzheimer.
Kesedihan adalah satu siri tindak balas emosi, kognitif, fungsional dan tingkah laku terhadap kematian atau jenis kerugian lain. Ini bukan keadaan, melainkan proses yang boleh sementara atau berterusan.
Otak yang sihat dari mereka yang menderita kesedihan fisiologi tidak mempunyai masalah anatomi yang sama - termasuk kawasan otak yang mengecil dan gangguan hubungan antara rangkaian neuron - yang terdapat pada orang yang menghidap penyakit Alzheimer.
Kami percaya bahawa ini adalah salah satu contoh bagaimana titik panas otak - hubungan yang tidak fizikal - serta kekayaan operasi tidak linier otak boleh membawa kepada hasil yang tidak dapat diramalkan oleh imbasan otak. Terdapat banyak lagi contoh.
Idea-idea ini mungkin menunjukkan jalan untuk mengurangkan keadaan neurologi yang serius melalui kaedah yang tidak invasif. Terapi pemulihan dan alat neuromodulasi medan dekat elektrik yang tidak invasif dapat mengurangkan simptom yang berkaitan dengan kehilangan orang yang disayangi. Mungkin protokol dan prosedur ini harus lebih banyak ditawarkan kepada pesakit yang menderita disfungsi neurologi di mana pencitraan menunjukkan perubahan anatomi. Ini dapat menyelamatkan beberapa individu ini dari prosedur pembedahan invasif.
Merangka semua hubungan bukan fizikal otak menggunakan kemajuan terkini dalam pemetaan medan dekat elektrik, dan menggunakan apa yang kita percayai adalah model nonlinier yang banyak berubah-ubah secara biologi, akan membuat kita selangkah lebih dekat ke tempat yang ingin kita tuju. Pemahaman yang lebih baik tentang otak bukan sahaja akan mengurangkan keperluan prosedur operasi invasif untuk membetulkan fungsi, tetapi juga akan menghasilkan model yang lebih baik untuk apa yang paling baik dilakukan oleh otak: pengiraan, memori, rangkaian dan penyebaran maklumat.
Tentang Pengarang
Salvatore Domenic Morgera, Profesor Kejuruteraan Elektrik dan Bioengineering, Tau Beta Pi Eminent Engineer, Universiti South Florida
Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.
Buku berkaitan:
Badan Mengekalkan Skor: Otak Minda dan Badan dalam Penyembuhan Trauma
oleh Bessel van der Kolk
Buku ini meneroka hubungan antara trauma dan kesihatan fizikal dan mental, menawarkan pandangan dan strategi untuk penyembuhan dan pemulihan.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
Nafas: Sains Baharu Seni yang Hilang
oleh James Nestor
Buku ini meneroka sains dan amalan pernafasan, menawarkan pandangan dan teknik untuk meningkatkan kesihatan fizikal dan mental.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
The Plant Paradox: Bahaya Tersembunyi dalam Makanan "Sihat" Yang Menyebabkan Penyakit dan Berat Badan
oleh Steven R. Gundry
Buku ini meneroka kaitan antara diet, kesihatan dan penyakit, menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
Kod Kekebalan: Paradigma Baharu untuk Kesihatan Sebenar dan Anti-Penuaan Radikal
oleh Joel Greene
Buku ini menawarkan perspektif baharu tentang kesihatan dan imuniti, menggunakan prinsip epigenetik dan menawarkan pandangan serta strategi untuk mengoptimumkan kesihatan dan penuaan.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
Panduan Lengkap Puasa: Sembuhkan Tubuh Anda Melalui Puasa Selang Selang, Hari Bergantian dan Berpanjangan
oleh Dr. Jason Fung dan Jimmy Moore
Buku ini meneroka sains dan amalan berpuasa yang menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.
