Hoe stemmen hersenen op één neuraal signaal uit miljarden af?

Hoe stemmen hersenen op één neuraal signaal uit miljarden af? Je brein voert meerdere orkesten met informatie tegelijkertijd uit. Verlichte audio, CC BY

Het menselijk brein stuurt honderden miljarden neurale signalen elke seconde. Het is een buitengewoon complexe prestatie.

Een gezond brein moet een enorm aantal juiste verbindingen tot stand brengen en ervoor zorgen dat deze gedurende de gehele periode van de informatieoverdracht nauwkeurig blijven - dat kan seconden duren, wat in "hersentijd" behoorlijk lang is.

Hoe komt elk signaal op de beoogde bestemming?

De uitdaging voor je hersenen is vergelijkbaar met waar je voor staat tijdens een gesprek op een luidruchtige cocktailparty. Je kunt je concentreren op de persoon met wie je praat en de andere discussies 'dempen'. Dit fenomeen is selectief horen - wat het wordt genoemd cocktailparty effect.

Wanneer iedereen op een groot, druk feest met ongeveer dezelfde luidheid spreekt, is het gemiddelde geluidsniveau van de persoon met wie je spreekt ongeveer gelijk aan het gemiddelde niveau van het gebabbel van alle andere feestgangers samen. Als het een satelliet-tv-systeem was, zou deze ongeveer gelijke balans van gewenst signaal en achtergrondruis resulteren in een slechte ontvangst. Niettemin is deze balans goed genoeg om u het gesprek op een bruisend feest te laten begrijpen.

Hoe doet het menselijk brein het, het onderscheid maken tussen miljarden lopende "gesprekken" in zichzelf en zich vastzetten op een specifiek signaal voor levering?

Het onderzoek van mijn team uit de neurologische netwerken van de hersenen blijkt dat er twee activiteiten zijn die het vermogen ondersteunen om betrouwbare verbindingen tot stand te brengen in aanwezigheid van significante biologische achtergrondruis. Hoewel de mechanismen van de hersenen vrij complex zijn, fungeren deze twee activiteiten als wat een elektrotechnisch ingenieur een noemt aangepast filter - een verwerkingselement dat wordt gebruikt in krachtige radiosystemen waarvan nu bekend is dat het in de natuur voorkomt.


Haal het laatste uit InnerSelf


Neuronen zingen in harmonie

Laten we even de tijd nemen om ons te concentreren op slechts een van de honderden miljarden zenuwvezels in het menselijk brein, waarvan er meestal op elk willekeurig moment actief zijn. Ze dragen allemaal hun steentje bij om denkprocessen uit te voeren waarmee mensen succesvol kunnen functioneren en zinvol met elkaar kunnen communiceren - ondersteunende vaardigheden zoals oriëntatie, aandacht, geheugen, probleemoplossing en uitvoerende functie.

Mijn onderzoeksteam heeft een model ontwikkeld dat biologische hersenactiviteit vertaalt naar het menselijke hoorbare bereik, dus wij kan de hersenen horen op het werk. Dit is hoe een enkele zenuwvezel zijn signaal uitzendt in een ideale, ruisvrije omgeving:

De activiteit van een enkele zenuwvezel vertaald in het menselijke hoorbare bereik. Auteur verstrekt (geen hergebruik)119 KB (Download)

Wanneer deze gekozen zenuwvezel een signaal naar zijn doelbestemming elders in de hersenen verzendt, is het tegen de achtergrondruis die wordt veroorzaakt door de activiteit van alle andere actieve vezels. Hier is het geluid van diezelfde vezel nu ondergedompeld in de cocktailparty van de hersenen:

De activiteit van een enkele zenuwvezel, tegen de achtergrond van al het andere dat zich in de hersenen afspeelt. Auteur verstrekt (geen hergebruik)119 KB (Download)

Het achtergrondgeluid in de hersenen stimuleert een kleine populatie andere zenuwvezels rond onze gekozen zenuwvezels synchroniseren en ongeveer hetzelfde bericht verzenden. Deze synchronisatie vermindert het effect van de ruis en verbetert de helderheid van het signaal.

Het doet zijn werk, maar is niet perfect. Het is vergelijkbaar met veel stemmen die in harmonie zingen. Elke stem projecteert op elk moment geluid met zijn unieke frequenties, waarbij de som van de veelheid stemmen het frequentiebereik van elke individuele stem uitbreidt. Denk aan een koor dat een muziekhal vult met zijn lied, in tegenstelling tot een solist die slechts één deel zingt. Deze strategie verrijkt de frequentie-inhoud, verhoogt het niveau van het verzonden signaal en verhoogt de kwaliteit van de ontvangst.

Wetenschappers beschrijven dit fenomeen als het ontstaan ​​van een relatie, of koppeling, tussen fysiek gescheiden subsystemen van zenuwvezels. Het creëert een groter, dynamisch systeem. Het idee is niet zo anders dan het 350-jaar oude mysterie, eindelijk opgelost, van hoe slingerklokken gemonteerd op dezelfde muur synchroniseren door kleine fysieke krachten uitgeoefend op de ondersteunende balk.

Mijn collega's en ik geloven dat dit zelfde vermogen om te "synchroniseren" kan leiden tot de ontdekking van niet-invasieve therapeutische behandelingen voor neurologische aandoeningen zoals multiple sclerose. Dit kan worden bereikt met behulp van een niet-invasieve neuromodulator aan het oppervlak van de hoofdhuid om kleine, niet-fysieke aangepaste elektrische veldkrachten te leveren aan het gebied van de hersenen getroffen door de ziekte. Door de hersensignalen van de patiënt niet-invasief te veranderen, zouden deze elektrische veldkrachten een gezondere neurologische netwerkomgeving creëren voor informatieoverdracht.

Hoe stemmen hersenen op één neuraal signaal uit miljarden af? Net als de drums in een band, helpen hersengolven om de beat te behouden. Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Hersenen rollen de trommels

De tweede manier waarop hersenen door de signaalruis heen snijden, is wat neurowetenschappers de afleveringssleutel noemen. Het is de rol van de natuurlijke ritmes van de hersenen, in de volksmond bekend als hersengolven.

Deze hersenritmes worden gecreëerd door zenuwcellen die in specifieke patronen vuren, waardoor golven van elektrische activiteit bij bepaalde zeer lage frequenties worden veroorzaakt, variërend van ongeveer 0.5 tot 140 cycli per seconde. Ter vergelijking: smartphones werken met ongeveer 5,000,000,000 cycli per seconde. De golven die helpen om een ​​signaal af te leveren naar een bestemming in de lawaaierige omgeving van de hersenen, lijken alfagolven, 8 tot 13 cycli per seconde of bèta-golven, 13 tot 32 cycli per seconde te zijn.

In mijn lab verwijzen we naar deze tweede activiteit als "drummen". De frequentie van de hersengolf is vergelijkbaar met die van de sub-bas of basdrum die wordt gebruikt om tijd te markeren of te houden in militair, rock, pop, jazz en traditioneel orkest muziek.

Deze laagfrequente ritmes fungeren als een afleveringssleutel die als een extra frequentie op het verzonden signaal wordt gedrukt. Het is een beetje zoals hoe GPS-signalen telecommunicatienetwerken synchroniseren. Stel dat het hersengolfsignaal of de bezorgingssleutel 10 cycli per seconde is. De tijdsduur van een cyclus is een tiende van een seconde, dus de bezorgingssleutel geeft elke tiende van een seconde een tijdmarkering bij het ontvangstpunt.

Deze tijdmarkering is uiterst nuttig bij de nauwkeurige ontvangst van het verzonden signaal. Cruciaal is dat deze bezorgingssleutel alleen het slot op het beoogde ontvangstpunt opent of activeert. Het idee verschilt niet zo veel van het gebruik van een wachtwoord om toegang te krijgen tot specifieke inhoud.

Neurowetenschappers zijn van mening dat de gekozen leveringssleutel wordt gebruikt hangt af van de staat van het individu. Alfagolven worden bijvoorbeeld geassocieerd met wakkere rust met gesloten ogen. Betagolven worden geassocieerd met normaal wakker bewustzijn en concentratie.

Wetenschappers veronderstellen dat geassocieerd met elke toedieningssleutel, of hersenritme, een lijst is van cognitieve functies die consistent zijn met de toestand van het individu. Dus bijvoorbeeld, een signaal verzonden met een 10 cycli per seconde Alfa-golf hersenritme waarop het is gebaseerd, bevat al informatie die is gecodeerd over wakende rust.

Hersengolven van elektrische activiteit waren bijna 100 jaar geleden geïdentificeerden onderzoekers leren voortdurend meer over hen en hun rol in gedrag en hersenfunctie.

Hoe stemmen hersenen op één neuraal signaal uit miljarden af? Om telecommunicatiesystemen te verbeteren, kunnen onderzoekers leren van hoe het brein zijn werk doet. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modellering van ingebouwde systemen op de hersenen

Het onderzoek van mijn laboratorium naar neurologische netwerken heeft implicaties voor niet alleen het begrijpen van het menselijk brein en het ontwikkelen van niet-invasieve diagnostische procedures en therapeutische behandelingen voor een verscheidenheid aan neurologische disfuncties, maar ook voor het ontwerpen van verbeterde systemen voor telecommunicatie, netwerken, cyberveiligheid, kunstmatige intelligentie en robotica.

Het menselijk brein demonstreert bijvoorbeeld hoeveel geavanceerder ontwerpen van telecommunicatienetwerken kunnen zijn. 5G mobiele netwerken hoop ongeveer 1 miljoen apparaten in een vierkante mijl te bedienen. Het menselijk brein daarentegen kan snel minstens 1 miljoen verbindingen tot stand brengen binnen een kubieke inch hersenweefsel.

De hedendaagse ontwerpen van telecommunicatienetwerken zijn beperkt omdat ze in wezen voortkomen uit de principes van één discipline - elektrotechniek en computertechniek. Zelfs de eenvoudigste circuits van de hersenen, de zenuwvezels, die lijken op de verbindingen in een telecommunicatienetwerk, werken op buitengewoon complexe manieren volgens gecombineerde principes van biologie, chemische technologie, werktuigbouwkunde en elektrische en computertechniek.

Het ontwerpen van systemen die vergelijkbaar zijn met het menselijk brein, vereist de veel meer multidisciplinaire aanpak die wordt weerspiegeld in mijn onderzoeksgroep - een team dat is samengesteld uit experts in geneeskunde, biowetenschappen, engineering en geavanceerde materialen - onderzoek partners.

Over de auteur

Salvatore Domenic Morgera, Hoogleraar elektrotechniek en bio-engineering, Universiteit van Zuid-Florida

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

books_science

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

volg InnerSelf op

facebook-icontwitter-iconrss-icoon

Ontvang de nieuwste via e-mail

{Emailcloak = off}