Wetenschappers maken nog steeds de puzzel van hoe de hersenen werken. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images
Hoe de hersenen werken, blijft een puzzel met slechts een paar stukjes op hun plaats. Hiervan is één groot stuk eigenlijk een vermoeden: dat er een relatie is tussen de fysieke structuur van de hersenen en de functionaliteit ervan.
De taken van de hersenen omvatten het interpreteren van aanraak-, visuele en geluidsinputs, evenals spraak, redenering, emoties, leren, fijne controle van beweging en vele andere. Neurowetenschappers veronderstellen dat het de anatomie van de hersenen is - met zijn honderden miljarden zenuwvezels - die al deze functies mogelijk maken. De 'levende draden' van de hersenen zijn met elkaar verbonden in uitgebreide neurologische netwerken die de verbazingwekkende vermogens van de mens doen ontstaan.
Het lijkt erop dat als wetenschappers de zenuwvezels en hun verbindingen in kaart kunnen brengen en de timing kunnen vastleggen van de impulsen die er doorheen stromen voor een hogere functie zoals visie, ze in staat zouden moeten zijn om bijvoorbeeld de vraag op te lossen hoe men ziet. Onderzoekers worden steeds beter in het in kaart brengen van de hersenen met behulp van tractografie - een techniek die zenuwvezelroutes visueel weergeeft met behulp van 3D-modellering. En ze worden beter in het vastleggen van hoe informatie door de hersenen beweegt door middel van verbeterde functionele magnetische resonantiebeeldvorming om de bloedstroom te meten.
Maar ondanks deze tools lijkt niemand veel dichter bij het uitzoeken hoe we echt zien. Neurowetenschappen hebben slechts een rudimentair begrip van hoe het allemaal bij elkaar past.
Om deze tekortkoming aan te pakken, het bio-engineeringonderzoek van mijn team richt zich op relaties tussen hersenstructuur en functie. Het algemene doel is om alle verbindingen - zowel anatomisch als draadloos - die cognitieve taken activeren in verschillende hersengebieden wetenschappelijk uit te leggen. We werken aan complexe modellen die beter vastleggen wat wetenschappers weten over de hersenfunctie.
Uiteindelijk kan een duidelijker beeld van structuur en functie de manier verfijnen waarop hersenchirurgie de structuur probeert te corrigeren en, omgekeerd, medicatie de functie probeert te corrigeren.
Elektrische near-field-verbindingen zorgen voor een ander communicatieniveau in de hersenen. PM-afbeeldingen / Stone via Getty Images
Draadloze hotspots in je hoofd
Cognitieve functies zoals redeneren en leren gebruiken een aantal verschillende hersenregio's in een tijdsvolgorde. Anatomie alleen - de neuronen en zenuwvezels - kan de excitatie van deze gebieden niet tegelijkertijd of samen verklaren.
Sommige verbindingen zijn eigenlijk 'draadloos'. Dit zijn elektrische near-field-verbindingen, en niet de fysieke verbindingen vastgelegd in tractografen.
Mijn onderzoeksteam heeft een aantal jaren gewerkt aan het uitwerken van de oorsprong van deze draadloze verbindingen en het meten van hun veldsterkten. Een heel simpele analogie van wat er in de hersenen gebeurt, is hoe een draadloze router werkt. Het internet wordt via een bekabelde verbinding naar een router gestuurd. De router stuurt de informatie vervolgens via draadloze verbindingen naar uw laptop. Het algehele systeem van informatieoverdracht werkt vanwege zowel bekabelde als draadloze verbindingen.
Elektrische velden komen voort uit geladen deeltjes die in en uit neuronen stromen op hun ongeïsoleerde knooppunten van Ranvier. ttsz / iStock via Getty Images Plus
In het geval van de hersenen geleiden zenuwcellen elektrische impulsen langs lange draadachtige armen, axonen genoemd, van het cellichaam naar andere neuronen. Onderweg worden draadloze signalen van nature uitgezonden door niet-geïsoleerde delen van zenuwcellen. Deze plekken die de beschermende isolatie missen die de rest van het axon omhult, worden genoemd knooppunten van Ranvier.
De knooppunten van Ranvier zorgen ervoor dat geladen ionen in en uit het neuron kunnen diffunderen, waardoor het elektrische signaal door het axon wordt verspreid. Terwijl de ionen in- en uitstromen, worden elektrische velden opgewekt. De intensiteit en structuur van deze velden is afhankelijk van de activiteit van de zenuwcel.
Hier bij de Wereldwijd centrum voor neurologische netwerken we concentreren ons op hoe deze draadloze signalen werken in de hersenen om informatie te communiceren.
De niet-lineaire wereld van de hersenen
Onderzoek naar hoe opgewonden hersenregio's overeenkomen met cognitieve functies, maakt een andere fout wanneer ze vertrouwen op aannames die tot te eenvoudige modellen leiden.
Onderzoekers hebben de neiging om de relatie te modelleren als lineair met een enkele variabele, het meten van de gemiddelde grootte van de reactie van een enkel hersengebied. Het is de logica achter de ontwerp van het eerste hoortoestel - als de stem van een persoon twee keer zo hard groeit, moet het oor twee keer zo hard reageren.
Gebruikers van hoortoestellen weten dat het verdubbelen van de sensorische input een rudimentaire oplossing is. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus
Maar hoortoestellen zijn in de loop der jaren enorm verbeterd, omdat onderzoekers beter hebben begrepen dat het oor geen lineair systeem is en dat er een vorm van niet-lineaire compressie nodig is om de gegenereerde geluiden af te stemmen op het vermogen van de luisteraar. In feite de meeste levende wezens hebben geen waarnemingssystemen die op een lineaire, een-op-een manier reageren op stimuli.
Lineaire modellen gaan ervan uit dat als de invoer naar een systeem wordt verdubbeld, de uitvoer van dat systeem ook wordt verdubbeld. Dit geldt niet voor niet-lineaire modellen, waar veel outputwaarden kunnen bestaan voor een enkele waarde van de input. En de meeste wetenschappers zijn het daarmee eens neurale berekeningen zijn in feite niet-lineair.
Een cruciale vraag om het verband tussen hersenen en gedrag te begrijpen, is hoe de hersenen de beste manier van handelen bepalen tussen concurrerende alternatieven. Zo maakt de frontale cortex van de hersenen optimale keuzes door veel hoeveelheden of variabelen berekenen - het berekenen van de potentiële uitbetaling, de kans op succes en de kosten in termen van tijd en moeite. Aangezien het systeem niet-lineair is, kan een verdubbeling van de potentiële uitbetaling een uiteindelijke beslissing veel meer dan tweemaal zo waarschijnlijk maken.
{vertrouwde V=394259925} De informatiestroom door de hersenen is veel complexer en dynamischer dan een 2D-model adequaat kan weergeven.
Lineaire modellen missen de rijke verscheidenheid aan mogelijkheden die kunnen optreden in de hersenfunctie, vooral die welke verder gaan dan wat anatomische structuur zou suggereren. Het is als het verschil tussen een 2D- en 3D-weergave van de wereld om ons heen.
Huidige lineaire modellen beschrijven alleen het gemiddelde excitatieniveau in een hersengebied, of de stroom over een hersenoppervlak. Dat is veel minder informatie dan mijn collega's en ik gebruik bij het bouwen van onze niet-lineaire modellen van zowel verbeterde functionele magnetische resonantiebeeldvorming als elektrische near-field bioimaging-gegevens. Onze modellen geven een 3D-beeld van de informatiestroom over de hersenoppervlakken en naar de diepten erin - en brengen ons dichter bij het weergeven hoe het allemaal werkt.
Een gezond uitziend brein kan functionele problemen hebben. Wetenschapsfotobibliotheek via Getty Images
Normale anatomie, fysiologische disfunctie
Mijn onderzoeksteam is geïntrigeerd door het feit dat mensen met volledig normaal ogende hersenstructuren nog steeds grote functionele problemen kunnen hebben.
Als onderdeel van ons onderzoek naar neurologische disfunctie bezoeken we individuen in hospice, rouwondersteunende groepen, revalidatiezorgfaciliteiten, traumacentra en ziekenhuizen voor acute zorg. We zijn constant geschokt om te beseffen dat mensen die dierbaren hebben verloren dat ook kunnen vergelijkbare symptomen vertonen aan die van patiënten bij wie de ziekte van Alzheimer is vastgesteld.
Verdriet is een reeks emotionele, cognitieve, functionele en gedragsmatige reacties op de dood of ander soort verlies. Het is geen staat, maar eerder een proces dat tijdelijk of lopend kan zijn.
De gezond uitziende hersenen van degenen die lijden fysiologisch verdriet hebben niet dezelfde anatomische problemen - waaronder gekrompen hersengebieden en verstoorde verbindingen tussen netwerken van neuronen - die worden aangetroffen bij mensen met de ziekte van Alzheimer.
We geloven dat dit slechts één voorbeeld is van hoe de hotspots van de hersenen - die verbindingen die niet fysiek zijn - plus de rijkdom van de niet-lineaire werking van de hersenen kunnen leiden tot resultaten die niet zouden worden voorspeld door een hersenscan. Er zijn waarschijnlijk nog veel meer voorbeelden.
Deze ideeën kunnen de weg wijzen naar het verminderen van ernstige neurologische aandoeningen door middel van niet-invasieve middelen. Rouwtherapie en niet-invasieve, elektrische nabij-veld neuromodulatie-apparaten kan de symptomen verminderen die gepaard gaan met het verlies van een dierbare. Misschien moeten deze protocollen en procedures op grotere schaal worden aangeboden aan patiënten die lijden aan neurologische disfunctie, waarbij beeldvorming anatomische veranderingen onthult. Het kan sommige van deze personen redden van invasieve chirurgische procedures.
Door alle niet-fysieke verbindingen van de hersenen in kaart te brengen met behulp van onze recente vooruitgang op het gebied van elektrische near-field mapping, en gebruik te maken van wat volgens ons biologisch realistische niet-lineaire modellen met veel variabelen zijn, komen we een stap dichter bij waar we naartoe willen. Een beter begrip van de hersenen zal niet alleen de behoefte aan invasieve operatieve procedures om de functie te corrigeren verminderen, maar zal ook leiden tot betere modellen voor wat de hersenen het beste doen: berekening, geheugen, netwerken en informatiedistributie.
Over de auteur
Salvatore Domenic Morgera, hoogleraar elektrotechniek en bio-engineering, Tau Beta Pi Eminent Engineer, Universiteit van Zuid-Florida
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Related Books:
Het lichaam houdt de score bij: Brain Mind and Body in the Healing of Trauma
door Bessel van der Kolk
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen trauma en fysieke en mentale gezondheid en biedt inzichten en strategieën voor genezing en herstel.
Klik voor meer info of om te bestellen
Adem: de nieuwe wetenschap van een verloren kunst
door James Nestor
Dit boek verkent de wetenschap en praktijk van ademhalen en biedt inzichten en technieken voor het verbeteren van de fysieke en mentale gezondheid.
Klik voor meer info of om te bestellen
De plantenparadox: de verborgen gevaren van 'gezond' voedsel dat ziekten en gewichtstoename veroorzaakt
door Steven R. Gundry
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen voeding, gezondheid en ziekte en biedt inzichten en strategieën om de algehele gezondheid en het welzijn te verbeteren.
Klik voor meer info of om te bestellen
De immuniteitscode: het nieuwe paradigma voor echte gezondheid en radicale antiveroudering
door Joël Greene
Dit boek biedt een nieuw perspectief op gezondheid en immuniteit, gebaseerd op principes van epigenetica en biedt inzichten en strategieën voor het optimaliseren van gezondheid en veroudering.
Klik voor meer info of om te bestellen
De complete gids voor vasten: genees uw lichaam door middel van intermitterend, afwisselende dagen en langdurig vasten
door dr. Jason Fung en Jimmy Moore
Dit boek onderzoekt de wetenschap en praktijk van vasten en biedt inzichten en strategieën voor het verbeteren van de algehele gezondheid en welzijn.
