Hoe hersenen zijn complexer dan wat anatomie suggereert

Hoe hersenen zijn complexer dan wat anatomie suggereert 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.

Hoe hersenen zijn complexer dan wat anatomie suggereert Elektrische near-field-verbindingen zorgen voor een ander communicatieniveau in de hersenen. PM-afbeeldingen / Stone via Getty Images


Haal het laatste uit InnerSelf


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.

[Expertise in je inbox. Meld u aan voor de nieuwsbrief van The Conversation en ontvang elke dag deskundige nieuwsberichten van vandaag.]

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.

Hoe hersenen zijn complexer dan wat anatomie suggereert 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.

Hoe hersenen zijn complexer dan wat anatomie suggereert 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.

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.

Hoe hersenen zijn complexer dan wat anatomie suggereert Een gezond uitziend brein kan functionele problemen hebben. Science Photo Library 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.The Conversation

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.


Aanbevolen boeken: Gezondheid

Vers fruit reinigenFresh Fruit Cleanse: Detox, afvallen en herstellen van uw gezondheid met Nature's Most Delicious Foods [Paperback] door Leanne Hall.
Afvallen en je gezond voelen terwijl je je lichaam van gifstoffen schoonmaakt. Vers fruit reinigen biedt alles wat je nodig hebt voor een gemakkelijke en krachtige ontgifting, inclusief programma's van dag tot dag, overheerlijke recepten en advies voor het overschakelen van de reini- ging.
Klik hier voor meer info en / of om dit boek op Amazon te bestellen.

Gedijen FoodsThrive Foods: 200 Plant-Based Recepten voor Peak Health [Paperback] door Brendan Brazier.
Voortbouwen op de stressverminderende, gezondheidsbevorderende voedingsfilosofie geïntroduceerd in zijn veelgeprezen veganistische voedingsgids Thrive, professionele Ironman-triatleet Brendan Brazier richt nu zijn aandacht op je bord (ontbijtkom en lunchplateau).
Klik hier voor meer info en / of om dit boek op Amazon te bestellen.

Death by Medicine van Gary NullDeath by Medicine van Gary Null, Martin Feldman, Debora Rasio en Carolyn Dean
De medische omgeving is een doolhof geworden van in elkaar grijpende raden van bestuur van bedrijven, ziekenhuizen en overheden, geïnfiltreerd door de farmaceutische bedrijven. De meest toxische stoffen worden vaak als eerste goedgekeurd, terwijl mildere en meer natuurlijke alternatieven om financiële redenen worden genegeerd. Het is de dood door medicijnen.
Klik hier voor meer info en / of om dit boek op Amazon te bestellen.


enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

volg InnerSelf op

facebook-icontwitter-iconrss-icoon

Ontvang de nieuwste via e-mail

{Emailcloak = off}

VAN DE REDACTIE

InnerSelf-nieuwsbrief: september 20, 2020
by InnerSelf Staff
Het thema van de nieuwsbrief deze week kan worden samengevat als "u kunt het" of meer specifiek "wij kunnen het!". Dit is een andere manier om te zeggen "u / wij hebben de macht om iets te veranderen". Het beeld van ...
Wat voor mij werkt: "I Can Do It!"
by Marie T. Russell, InnerSelf
De reden dat ik deel "wat voor mij werkt" is dat het ook voor jou kan werken. Als het niet precies de manier is waarop ik het doe, aangezien we allemaal uniek zijn, kan een afwijking van de houding of methode heel goed iets zijn ...
InnerSelf-nieuwsbrief: september 6, 2020
by InnerSelf Staff
We zien het leven door de lenzen van onze waarneming. Stephen R. Covey schreef: "We zien de wereld, niet zoals ze is, maar zoals we zijn - of zoals we geconditioneerd zijn om haar te zien." Dus deze week bekijken we enkele ...
InnerSelf-nieuwsbrief: augustus 30, 2020
by InnerSelf Staff
De wegen die we tegenwoordig reizen zijn zo oud als de tijd, maar zijn nieuw voor ons. De ervaringen die we hebben zijn zo oud als de tijd, maar ze zijn ook nieuw voor ons. Hetzelfde geldt voor de ...
Als de waarheid zo vreselijk is dat het pijn doet, onderneem dan actie
by Marie T. Russell, InnerSelf.com
Te midden van alle verschrikkingen die tegenwoordig plaatsvinden, word ik geïnspireerd door de stralen van hoop die erdoorheen schijnen. Gewone mensen komen op voor wat goed is (en tegen wat fout is). Honkbalspelers, ...