Ang mga siyentipiko ay patuloy pa ring pinagsasama-sama ang puzzle kung paano gumagana ang utak. Yuichiro Chino / Sandali sa pamamagitan ng Mga Larawan ng Getty
Kung paano gumagana ang utak ay nananatiling isang palaisipan na may ilang piraso lamang sa lugar. Sa mga ito, ang isang malaking piraso ay talagang isang haka-haka: na mayroong ugnayan sa pagitan ng pisikal na istraktura ng utak at pag-andar nito.
Kasama sa mga trabaho sa utak ang pagbibigay kahulugan sa mga touch, visual at tunog input, pati na rin ang pagsasalita, pangangatuwiran, emosyon, pag-aaral, maayos na pagkontrol sa paggalaw at marami pa. Ipinapalagay ng mga neuroscientist na ito ang anatomya ng utak - kasama ang daan-daang bilyon-bilyong fibers ng nerve - na ginagawang posible ang lahat ng mga pagpapaandar na ito. Ang "buhay na wires" ng utak ay konektado sa masalimuot na mga network ng neurological na nagbibigay ng kamangha-manghang mga kakayahan ng tao.
Tila na kung mai-mapa ng mga siyentipiko ang mga fibre ng nerve at ang kanilang mga koneksyon at itala ang tiyempo ng mga impulses na dumadaloy sa kanila para sa isang mas mataas na pag-andar tulad ng paningin, dapat nilang malutas ang tanong kung paano nakikita ng isang tao, halimbawa. Ang mga mananaliksik ay nakakakuha ng mas mahusay sa pagma-map sa utak gamit trograpiya - isang pamamaraan na biswal na kumakatawan sa mga ruta ng nerve fiber gamit ang pagmomolde ng 3D. At nakakakuha sila ng mas mahusay sa pag-record kung paano gumagalaw ang utak sa utak sa pamamagitan ng paggamit ng pinahusay na paggana ng magnetic resonance imaging upang masukat ang daloy ng dugo.
Ngunit sa kabila ng mga tool na ito, walang sinuman ang tila mas malapit sa pag-uunawa kung paano talaga natin nakikita. Ang Neuroscience ay mayroon lamang isang hindi kasiya-siyang pag-unawa kung paano magkasama ang lahat.
Upang matugunan ang pagkukulang na ito, pananaliksik ng bioengineering ng aking koponan nakatuon sa mga relasyon sa pagitan ng istraktura ng utak at pag-andar. Ang pangkalahatang layunin ay upang maipaliwanag ng siyentipiko ang lahat ng mga koneksyon - parehong anatomikal at wireless - na nag-activate ng iba't ibang mga rehiyon ng utak sa panahon ng mga gawaing nagbibigay-malay. Nagtatrabaho kami sa mga kumplikadong modelo na mas mahusay na makuha ang alam ng mga siyentipiko sa pag-andar ng utak.
Sa huli, ang isang mas malinaw na larawan ng istraktura at pag-andar ay maaaring masya ang mga paraan ng pagtatangka ng operasyon sa utak na iwasto ang istraktura at, sa kabilang banda, sinusubukan ng gamot na iwasto ang pag-andar.
Ang mga koneksyon sa malapit na larangan ay nagbibigay ng isa pang antas ng komunikasyon sa loob ng utak. Mga Larawan / Bato ng PM sa pamamagitan ng Mga Larawan ng Getty
Wireless hot spot sa iyong ulo
Ang mga function na nagbibigay-malay tulad ng pangangatuwiran at pag-aaral ay gumagamit ng isang bilang ng mga natatanging mga rehiyon ng utak sa isang sunud-sunod na paraan. Ang Anatomy lamang - ang mga neuron at nerve fibers - ay hindi maipaliwanag ang paggulo ng mga rehiyon na ito, nang sabay-sabay o magkasunod.
Ang ilang mga koneksyon ay talagang "wireless." Ito ay mga koneksyon sa kuryente na malapit sa bukid, at hindi ang mga pisikal na koneksyon na nakunan sa mga trograpiya.
Ang aking koponan ng pananaliksik ay nagtrabaho nang maraming taon na nagdedetalye sa pinagmulan ng mga wireless na koneksyon at pagsukat ng kanilang lakas sa bukid. Ang isang napaka-simpleng pagkakatulad ng kung ano ang nangyayari sa utak ay kung paano gumagana ang isang wireless router. Ang internet ay naihatid sa isang router sa pamamagitan ng isang wired na koneksyon. Pagkatapos ay ipinapadala ng router ang impormasyon sa iyong laptop gamit ang mga wireless na koneksyon. Ang pangkalahatang sistema ng paglipat ng impormasyon ay gumagana dahil sa parehong mga wired at wireless na koneksyon.
Ang mga patlang ng kuryente ay nagmula sa mga sisingilin na mga particle na dumadaloy sa loob at labas ng mga neuron sa kanilang walang konduksyon na node ng Ranvier. ttsz / iStock sa pamamagitan ng Getty Mga Larawan Plus
Sa kaso ng utak, ang mga selula ng nerbiyos ay nagsasagawa ng mga de-koryenteng impulses pababa sa mahabang mga braso na tinatawag na axons mula sa katawan ng cell hanggang sa iba pang mga neuron. Kasabay nito, ang mga wireless signal ay natural na pinakawalan mula sa mga hindi na-bahagi na bahagi ng mga selula ng nerbiyos. Ang mga spot na ito na kulang sa proteksyon na pagkakabukod na bumabalot sa natitirang bahagi ng axon ay tinatawag node ng Ranvier.
Ang mga node ng Ranvier ay nagpapahintulot sa mga sinisingil na mga ion na magkalat sa loob at labas ng neuron, na nagpapalaganap ng signal ng kuryente sa axon. Habang ang mga ion ay dumadaloy sa loob at labas, ang mga electric field ay nabuo. Ang intensity at istraktura ng mga patlang na ito ay nakasalalay sa aktibidad ng nerve cell.
Dito sa Global Center para sa Neurological Networks nakatuon kami sa kung paano ito gumagana ang utak ng wireless upang makipag-usap ng impormasyon.
Ang hindi linyang mundo ng utak
Ang mga pagsisiyasat sa kung paano natutugunan ang mga rehiyon ng utak na may mga nagbibigay-malay na pag-andar na gumawa ng isa pang pagkakamali kapag umaasa sila sa mga pagpapalagay na humantong sa labis na simpleng mga modelo.
Ang mga mananaliksik ay may posibilidad na gawing modelo ang kaugnayan linear na may isang solong variable, pagsukat ng average na laki ng tugon ng isang solong rehiyon ng utak. Ito ang lohika sa likod ng disenyo ng unang aid aid - kung ang tinig ng isang tao ay lumalaki nang dalawang beses nang malakas, ang tainga ay dapat na tumugon nang dalawang beses nang labis.
Ang mga gumagamit ng aid sa pagdinig ay alam na ang pagdodoble lamang sa sensory input ay isang hindi wastong pag-aayos. AndreyPopov / iStock sa pamamagitan ng Getty Mga Larawan Plus
Ngunit ang mga pantulong sa pandinig ay lubos na napabuti sa mga nakaraang taon dahil mas naiintindihan ng mga mananaliksik na ang tainga ay hindi isang linear system, at ang isang form ng nonlinear compression ay kinakailangan upang tumugma sa mga tunog na nabuo sa kakayahan ng tagapakinig. Sa katunayan, karamihan ang mga bagay na nabubuhay ay walang mga sensing system na tumutugon sa isang guhit, isa-sa-isang paraan sa stimuli.
Ipinapalagay ng mga linear na modelo na kung ang pagpasok sa isang system ay doble, ang doble ng system na iyon ay dinoble. Hindi ito totoo sa mga nonlinear models, kung saan maraming mga halaga ng output ang maaaring umiiral para sa solong halaga ng input. At ang karamihan sa mga siyentipiko ay sumasang-ayon na ang neural computations ay sa katunayan nonlinear.
Ang isang mahalagang katanungan sa pag-unawa sa link sa pagitan ng utak at pag-uugali ay kung paano napapasya ng utak ang pinakamahusay na kurso ng pagkilos sa mga nakikipagkumpitensyang alternatibo. Halimbawa, ang pangharap na cortex ng utak ay gumagawa ng mga pinakamainam na pagpipilian pagkompyuter ng maraming dami, o variable - pagkalkula ng potensyal na kabayaran, ang posibilidad ng tagumpay at ang gastos sa mga tuntunin ng oras at pagsisikap. Dahil ang sistema ay hindi linya, ang pagdodoble sa potensyal na pagbabayad ay maaaring gumawa ng isang pangwakas na desisyon nang higit sa dalawang beses.
{vembed V = 394259925} Ang daloy ng impormasyon sa pamamagitan ng utak ay mas kumplikado at pabago-bago kaysa sa isang 2D na modelo na maaaring kumatawan nang sapat.
Ang mga modelong linear ay napalampas sa mayaman na iba't ibang mga posibilidad na maaaring mangyari sa pag-andar ng utak, lalo na sa mga lampas sa iminumungkahi ng istruktura ng anatomiko. Ito ay tulad ng pagkakaiba sa pagitan ng isang 2D at 3D na representasyon ng mundo sa ating paligid.
Inilalarawan lamang ng kasalukuyang mga linear na modelo ang average na antas ng paggulo sa isang rehiyon ng utak, o ang daloy sa isang ibabaw ng utak. Iyon ay hindi gaanong impormasyon kaysa sa aking mga kasamahan at ginagamit ko kapag nagtatayo ng aming mga nonlinear na mga modelo mula sa parehong pinahusay na pagganap na magnetic resonance imaging at electric malapit sa bukid na bioimaging data. Ang aming mga modelo ay nagbibigay ng isang 3D na imahe ng daloy ng impormasyon sa buong ibabaw ng utak at sa kailaliman sa loob nito - at mas malapit kami sa kumakatawan sa kung paano ito gumagana.
Ang isang malusog na utak na mukhang malusog ay maaaring magkaroon ng mga problema sa pagganap. Science Photo Library sa pamamagitan ng Mga Larawan ng Getty
Mga normal na anatomya, pisyolohikal na dysfunction
Ang aking koponan ng pananaliksik ay naiintriga sa katotohanan na ang mga taong may ganap na normal na mukhang istruktura ng utak ay maaari pa ring magkaroon ng pangunahing mga problema sa pagganap.
Bilang bahagi ng aming pananaliksik sa neurological Dysfunction, binibisita namin ang mga indibidwal sa mga hospice, buportive support group, mga rehabilitasyong pangangalaga sa rehabilitasyon, mga trauma center at talamak na pag-aalaga ng ospital. Patuloy kaming nagulat upang mapagtanto na ang mga taong nawalan ng mga mahal sa buhay ay makakaya magpakita ng magkakatulad na sintomas sa mga pasyente na nasuri na may sakit na Alzheimer.
Ang kalungkutan ay isang serye ng emosyonal, nagbibigay-malay, pagganap at pag-uugali ng mga tugon sa kamatayan o iba pang uri ng pagkawala. Ito ay hindi isang estado, ngunit sa halip ay isang proseso na maaaring maging pansamantala o nagpapatuloy.
Ang malusog na mukhang talino ng mga nagdurusa kalungkutan sa physiological hindi magkakaroon ng parehong mga problema sa anatomiko - kabilang ang mga nabubulok na mga rehiyon ng utak at nagambala na mga koneksyon sa pagitan ng mga network ng mga neuron - na matatagpuan sa mga taong may sakit na Alzheimer.
Naniniwala kami na ito ay isa lamang halimbawa ng kung paano ang mga maiinit na lugar ng utak - ang mga koneksyon na hindi pisikal - kasama ang kayamanan ng hindi pantay na operasyon ng utak ay maaaring humantong sa mga kinalabasan na hindi hinuhulaan ng isang scan ng utak. Marahil maraming mga halimbawa.
Ang mga ideyang ito ay maaaring ituro ang paraan sa pag-iwas sa mga malubhang kondisyon ng neurological sa pamamagitan ng hindi malabo na paraan. Bereavement therapy at noninvasive, electric malapit-field na neuromodulation na aparato maaaring mabawasan ang mga sintomas na nauugnay sa pagkawala ng isang mahal sa buhay. Marahil ang mga protocol at pamamaraan na ito ay dapat na mas malawak na inaalok sa mga pasyente na nagdurusa mula sa neurological dysfunction kung saan ang imaging ay nagpapakita ng mga pagbabago sa anatomikal. Maaari itong mai-save ang ilan sa mga indibidwal na ito mula sa nagsasalakay na mga pamamaraan sa operasyon.
Ang paglalarawan ng lahat ng mga hindi link na utak ng utak gamit ang aming kamakailang mga pagsulong sa pag-mipa ng kuryente malapit sa bukid, at paggamit ng pinaniniwalaan namin na ang biologically makatotohanang maraming-variable na mga nonlinear na modelo, ay makakakuha sa amin ng isang hakbang na malapit sa kung saan nais naming pumunta. Ang mas mahusay na pag-unawa sa utak ay hindi lamang mabawasan ang pangangailangan para sa nagsasalakay na mga pamamaraan ng pagpapatakbo upang iwasto ang pag-andar, ngunit hahantong din ito sa mas mahusay na mga modelo para sa kung ano ang pinakamahusay na ginagawa ng utak: computation, memorya, networking at pamamahagi ng impormasyon.
Tungkol sa Ang May-akda
Salvatore Domenic Morgera, Propesor ng Electrical Engineering at Bioengineering, Tau Beta Pi Eminent Engineer, University of South Florida
Ang artikulong ito ay muling nai-publish mula sa Ang pag-uusap sa ilalim ng lisensya ng Creative Commons. Basahin ang ang orihinal na artikulo.
Mga Kaugnay na Libro:
The Body Keeps the Score: Brain Mind and Body in the Healing of Trauma
ni Bessel van der Kolk
Tinutuklas ng aklat na ito ang mga koneksyon sa pagitan ng trauma at pisikal at mental na kalusugan, na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapagaling at pagbawi.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
Paghinga: Ang Bagong Agham ng Nawalang Sining
ni James Nestor
Sinasaliksik ng aklat na ito ang agham at kasanayan sa paghinga, na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapabuti ng pisikal at mental na kalusugan.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
The Plant Paradox: Ang Mga Nakatagong Panganib sa "Malulusog" na Pagkaing Nagdudulot ng Sakit at Pagtaas ng Timbang
ni Steven R. Gundry
Tinutuklas ng aklat na ito ang mga link sa pagitan ng diyeta, kalusugan, at sakit, na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapabuti ng pangkalahatang kalusugan at kagalingan.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
The Immunity Code: The New Paradigm for Real Health and Radical Anti-Aging
ni Joel Greene
Ang aklat na ito ay nag-aalok ng bagong pananaw sa kalusugan at kaligtasan sa sakit, na kumukuha sa mga prinsipyo ng epigenetics at nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pag-optimize ng kalusugan at pagtanda.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
Ang Kumpletong Gabay sa Pag-aayuno: Pagalingin ang Iyong Katawan sa Pamamagitan ng Pasulput-sulpot, Kahaliling Araw, at Pinahabang Pag-aayuno
ni Dr. Jason Fung at Jimmy Moore
Tinutuklas ng aklat na ito ang agham at kasanayan ng pag-aayuno na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapabuti ng pangkalahatang kalusugan at kagalingan.
