Bagaimana Otak Tune Dalam Satu Isyarat Saraf Daripada Miliaran?

Bagaimana Otak Tune Dalam Satu Isyarat Saraf Daripada Miliaran? Otak anda sedang menjalankan pelbagai orkestra maklumat pada masa yang sama. Audio yang diterangi, CC BY

Otak manusia menghantar beratus-ratus bilion isyarat saraf setiap saat. Ia satu prestasi hebat.

Otak yang sihat mesti menubuhkan sejumlah besar sambungan yang betul dan memastikan mereka tetap tepat untuk keseluruhan tempoh pemindahan maklumat - yang boleh mengambil beberapa saat, yang "masa otak" cukup lama.

Bagaimanakah setiap isyarat sampai kepada tujuannya?

Cabaran untuk otak anda adalah sama dengan apa yang anda hadapi ketika cuba terlibat dalam perbualan di pesta koktail yang bising. Anda dapat memberi tumpuan kepada orang yang anda sedang berbual dan "membisukan" perbincangan lain. Fenomena ini adalah pendengaran terpilih - apa yang dipanggil kesan parti koktail.


Dapatkan yang terbaru dari InnerSelf


Apabila semua orang mengadakan ceramah parti yang besar dan penuh dengan kekerapan yang sama, tahap bunyi rata-rata orang yang anda bercakap adalah kira-kira sama dengan tahap rata-rata gabungan perbualan parti yang lain. Sekiranya ia adalah sistem TV satelit, kira-kira baki yang sama dengan isyarat yang diingini dan bunyi latar belakang akan mengakibatkan penerimaan yang kurang baik. Walau bagaimanapun, keseimbangan ini cukup baik untuk membolehkan anda memahami perbualan di sebuah parti yang sibuk.

Bagaimanakah otak manusia melakukannya, membezakan antara berbilion "perbualan" yang berterusan dalam dirinya dan mengunci kepada isyarat tertentu untuk penghantaran?

Penyelidikan pasukan saya ke dalam rangkaian neurologi otak menunjukkan terdapat dua aktiviti yang menyokong keupayaannya untuk mewujudkan hubungan yang boleh dipercayai dengan kehadiran bunyi latar biologi yang penting. Walaupun mekanisme otak agak kompleks, kedua-dua aktiviti bertindak sebagai jurutera elektrik penapis yang dipadankan - unsur pemprosesan yang digunakan dalam sistem radio berprestasi tinggi, dan kini dikenali wujud.

Neuron menyanyi dengan harmoni

Mari kita luangkan masa untuk memberi tumpuan kepada hanya satu daripada ratusan bilion gentian saraf di dalam otak manusia, di mana ramai yang biasanya aktif pada mana-mana titik tertentu dalam masa. Mereka semua melakukan tugas mereka untuk menjalankan proses pemikiran yang membolehkan manusia berfungsi dengan baik dan berinteraksi secara bermakna antara satu sama lain - menyokong kebolehan seperti orientasi, perhatian, ingatan, penyelesaian masalah dan fungsi eksekutif.

Pasukan penyelidikan saya telah membangunkan satu model yang menerjemahkan aktiviti otak biologi kepada jangkauan suara manusia, jadi kami boleh mendengar otak di tempat kerja. Berikut adalah apa yang serat saraf tunggal yang menghantar isyaratnya kedengaran seperti dalam persekitaran yang bebas dan bebas bunyi:

Aktiviti gentian saraf tunggal diterjemahkan ke dalam julat suara manusia. Pengarang disediakan (Tiada penggunaan semula)119 KB (Muat Turun)

Apabila serat saraf yang dipilih ini menghantar isyarat ke destinasi sasarannya di tempat lain di otak, ia menentang kebisingan latar belakang yang disebabkan oleh aktiviti semua gentian aktif yang lain. Inilah bunyi serat yang sama sekarang yang direndam di dalam parti koktel otak:

Satu aktiviti serat saraf tunggal, terhadap latar belakang segala sesuatu yang berlaku di dalam otak. Pengarang disediakan (Tiada penggunaan semula)119 KB (Muat Turun)

Bunyi latar belakang di otak merangsang populasi kecil gentian saraf yang lain di sekeliling serat saraf kita yang dipilih menyegerakkan dan menghantar kira-kira mesej yang sama. Penyegerakan ini mengurangkan kesan bunyi dan meningkatkan kejelasan isyarat.

Ia melakukan kerja tetapi tidak sempurna. Ia sama dengan banyak suara menyanyi dalam harmoni. Setiap projek suara berbunyi pada frekuensi yang unik pada setiap saat, dengan jumlah keseluruhan pelbagai suara yang memanjangkan julat frekuensi setiap suara individu. Fikirkan satu paduan suara mengisi sebuah dewan muzik dengan lagunya, berbanding dengan penyanyi solo yang hanya satu bahagian. Strategi ini memperkayakan kandungan frekuensi, meningkatkan tahap isyarat yang dihantar dan meningkatkan kualiti penerimaan.

Para saintis menggambarkan fenomena ini sebagai kemunculan hubungan, atau pengganding, antara subsistem-siri yang terpisah secara fizikal gentian saraf. Ia mewujudkan sistem yang lebih besar dan dinamik. Idea ini tidak begitu berbeza dari misteri 350 tahun lalu, akhirnya diselesaikan, bagaimana jam pendulum dipasang pada dinding yang sama disegerakkan melalui kekuatan fizikal kecil yang dikenakan pada balok sokongan.

Rakan saya dan saya percaya bahawa keupayaan yang sama untuk "menyelaraskan" mungkin membawa kepada penemuan rawatan terapi noninvasive untuk gangguan neurologi seperti multiple sclerosis. Ini boleh dicapai dengan menggunakan peranti neuromodulator yang tidak dinasihatkan di permukaan kulit kepala untuk memberikan kuasa medan elektrik kecil yang bukan fizikal kepada kawasan otak terjejas oleh penyakit ini. Dengan secara tidak sengaja mengubah isyarat otak pesakit, kuasa medan elektrik akan mewujudkan persekitaran rangkaian neurologi yang sihat untuk pemindahan maklumat.

Bagaimana Otak Tune Dalam Satu Isyarat Saraf Daripada Miliaran? Seperti drum di band, brainwaves membantu 'mengalahkan'. Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Otak melancarkan gendang

Cara kedua otak memotong melalui kekacauan isyarat adalah apa yang dirujuk oleh pakar neuros sebagai kunci penghantaran. Ini peranan yang dimainkan oleh irama semula jadi otak, yang lebih dikenali sebagai gelombang otak.

Irama otak ini dicipta oleh sel-sel saraf yang terbakar dalam pola tertentu, menyebabkan gelombang aktiviti elektrik pada frekuensi yang sangat rendah, mulai dari 0.5 hingga 140 siklus sesaat. Sebagai perbandingan, telefon pintar beroperasi di sekitar 5,000,000,000 kitaran sesaat. Gelombang yang membantu menghantar isyarat ke destinasi dalam persekitaran bising otak kelihatan sama ada gelombang Alpha, 8 ke 13 kitaran sesaat, atau gelombang Beta, 13 ke 32 kitaran sesaat.

Dalam makmal saya, kita merujuk kepada aktiviti kedua ini seperti "melancarkan gendang." Kekerapan gelombang otak serupa dengan sub bass atau gendang bass yang digunakan untuk menandakan atau menyimpan masa dalam tentera, rock, pop, jazz dan orkestra tradisional muzik.

Irama frekuensi rendah ini bertindak sebagai kunci penghantaran yang terkesan pada isyarat yang dihantar sebagai frekuensi tambahan. Ia seperti bagaimana Isyarat GPS menyegerakkan rangkaian telekomunikasi. Katakan bahawa isyarat gelombang otak atau kunci penghantaran ialah kitaran 10 sesaat. Tempoh masa satu kitaran ialah sepersepuluh detik, jadi kunci penghantaran memberikan penanda masa pada titik penerimaan setiap sepersepuluh detik.

Penanda masa ini sangat membantu dalam penerimaan tepat isyarat yang dihantar. Secara asasnya, kunci penghantaran ini hanya membuka atau mengaktifkan kunci pada titik penerimaan yang dimaksudkan. Idea ini tidak begitu berbeza dari penggunaan kata laluan untuk mendapatkan akses kepada kandungan tertentu.

Ahli sains Neuros percaya bahawa pilihan kunci penghantaran digunakan bergantung pada keadaan individu. Sebagai contoh, gelombang Alpha dikaitkan dengan rehat terjaga dengan mata ditutup. Gelombang beta dikaitkan dengan kesedaran dan kepekatan yang normal.

Para saintis berpendapat bahawa berkaitan dengan setiap kunci penghantaran, atau irama otak, adalah senarai fungsi kognitif yang selaras dengan keadaan individu. Jadi, sebagai contoh, isyarat yang dihantar dengan kitaran 10 kitaran gelombang kedua Alpha gelombang otak yang mengagumkan apabila ia sudah mempunyai maklumat yang dikodkan di dalamnya mengenai rehat yang terjaga.

Aktiviti otak elektrik adalah dikenal pasti hampir 100 tahun lalu, dan penyelidik sentiasa mempelajari lebih lanjut tentang mereka dan peranan mereka dalam tingkah laku dan fungsi otak.

Bagaimana Otak Tune Dalam Satu Isyarat Saraf Daripada Miliaran? Untuk meningkatkan sistem telekomunikasi, para penyelidik boleh belajar dari bagaimana otak melakukan kerjanya. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Memodelkan sistem yang dibina di atas otak

Penyelidikan makmal saya ke dalam rangkaian neurologi mempunyai implikasi untuk bukan sahaja memahami otak manusia dan membangunkan prosedur diagnostik tanpa rawatan dan rawatan terapeutik untuk pelbagai disfungsi saraf, tetapi juga untuk mereka bentuk sistem yang lebih baik untuk telekomunikasi, rangkaian, keamanan siber, kecerdasan buatan dan robotik.

Contohnya, otak manusia menunjukkan betapa reka bentuk sistem rangkaian telekomunikasi yang lebih canggih. Rangkaian sel 5G berharap dapat berkhidmat kira-kira 1 juta peranti dalam batu persegi. Sebaliknya, otak manusia dengan cepat boleh mewujudkan sekurang-kurangnya 1 juta sambungan dalam tempoh a tisu otak tisu otak.

Reka bentuk sistem rangkaian telekomunikasi hari ini dikekang kerana ia pada asasnya menarik dari prinsip satu disiplin - kejuruteraan elektrik dan komputer. Malah litar yang paling sederhana di dalam otak, serat saraf, seperti hubungan dalam rangkaian telekomunikasi, beroperasi dengan cara yang sangat kompleks mengikut prinsip gabungan biologi, kejuruteraan kimia, kejuruteraan mekanikal dan kejuruteraan elektrik dan komputer.

Sistem perancangan yang sama dalam keupayaan untuk otak manusia memerlukan pendekatan yang lebih banyak disiplin yang dicerminkan dalam kumpulan penyelidikan saya - pasukan yang diambil dari pakar dalam bidang perubatan, sains hayat, kejuruteraan dan bahan-bahan maju - dan penyelidikan rakan-rakan.

Mengenai Penulis

Salvatore Domenic Morgera, Profesor Kejuruteraan Elektrik dan Bioengineering, Universiti South Florida

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.

books_science

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

ikuti InnerSelf pada

icon-facebooktwitter-iconrss-icon

Dapatkan Yang Terbaru Dengan E-mel

{Emailcloak = mati}