Ang iyong utak ay nagsasagawa ng maraming orkestra ng impormasyon nang sabay. Nailanghang Audio, CC BY

Nagpapadala ang utak ng tao daan-daang bilyon-bilyong mga neural signal bawat segundo. Ito ay isang extraordinarily complex feat.

Ang isang malusog na utak ay dapat magtatag ng isang napakalaking bilang ng mga tamang koneksyon at tiyaking mananatiling tumpak para sa buong panahon ng paglipat ng impormasyon - na maaaring tumagal ng ilang segundo, na sa "oras ng utak" ay medyo mahaba.

Paano makakarating ang bawat signal sa nilalayon nitong patutunguhan?

Ang hamon para sa iyong utak ay katulad ng kung ano ang iyong hinarap kapag sinusubukan mong makipag-usap sa isang maingay na partido ng cocktail. Nakatuon ka sa taong kausap mo at "pipi" sa iba pang mga talakayan. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay pumipili pagdinig - kung ano ang tinatawag na epekto ng cocktail party.

Kapag ang lahat sa isang malaki, masikip na partido ay nakikipag-usap sa halos lahat ng malakas, ang average na antas ng tunog ng taong nakikipag-usap mo ay halos katumbas ng average na antas ng lahat ng iba pang mga partygoers 'chatter na pinagsama. Kung ito ay isang satellite TV system, ang halos pantay na balanse ng nais na signal at ingay sa background ay magreresulta sa hindi magandang pagtanggap. Gayunpaman, ang balanse na ito ay sapat na mahusay upang ipaalam sa iyo na maunawaan ang pag-uusap sa isang nakakainis na partido.

Paano ito ginagawa ng utak ng tao, na nakikilala sa mga bilyun-bilyong patuloy na "pag-uusap" sa loob mismo at pag-lock sa isang tiyak na signal para sa paghahatid?

Pananaliksik ng aking koponan sa mga neurological network ng utak ay nagpapakita mayroong dalawang mga aktibidad na sumusuporta sa kakayahan nito upang maitaguyod ang mga maaasahang koneksyon sa pagkakaroon ng makabuluhang ingay sa background sa biological. Bagaman kumplikado ang mga mekanismo ng utak, ang dalawang aktibidad na ito ay kumikilos kung ano ang tawag sa isang inhinyero na a naitugma sa filter - isang elemento ng pagproseso na ginamit sa mga sistema ng radyo na may mataas na pagganap, at ngayon ay kilala na umiiral sa likas na katangian.

Ang mga Neuron ay umaawit nang magkakasundo

Maglaan tayo ng sandali upang mag-focus sa isa lamang sa daan-daang bilyun-bilyong mga fibre ng nerve sa utak ng tao, na kung saan marami ang karaniwang aktibo sa anumang naibigay na punto sa oras. Lahat sila ay gumagawa ng kanilang bahagi upang maisagawa ang mga proseso ng pag-iisip na nagbibigay-daan sa mga tao na gumana nang matagumpay at makipag-ugnay nang may kahulugan sa bawat isa - pagsuporta sa mga kakayahan tulad ng orientation, pansin, memorya, paglutas ng problema at pagpapaandar ng ehekutibo.

Ang aking koponan ng pananaliksik ay nakabuo ng isang modelo na isinalin ang biological na aktibidad ng utak sa saklaw na naririnig ng tao, kaya kami maririnig ang utak nasa trabaho. Narito kung ano ang isang solong nerve fiber na nagpapadala ng signal nito ay parang sa isang mainam, walang ingay na kapaligiran:

Kapag ang napiling nerve fiber na ito ay nagpapadala ng isang signal sa target na patutunguhan sa ibang lugar sa utak, ito ay laban sa ingay sa background na dulot ng aktibidad ng lahat ng iba pang mga aktibong fibre. Narito ang tunog ng parehong hibla na ngayon ay nalubog sa sabong ng sabong ng utak:

Ang ingay sa background sa utak ay nagpapasigla ng isang maliit na populasyon ng iba pang mga fibers ng nerve sa paligid ng aming napiling nerve fiber na i-synchronize at ipadala ang halos isang parehong mensahe. Ang pag-synchronise na ito ay binabawasan ang epekto ng ingay at nagpapabuti ng kaliwanagan ng signal.

Ginagawa nito ang trabaho, ngunit hindi perpekto. Ito ay katulad ng maraming mga tinig na umaawit na magkakasuwato. Ang bawat proyekto ng boses ay tunog sa mga natatanging frequency nito sa bawat sandali, kasama ang kabuuan ng karamihan ng mga tinig na umaabot sa hanay ng dalas ng bawat indibidwal na boses. Mag-isip ng isang koro na pinupuno ang isang music hall sa awitin nito, kumpara sa isang soloist na kumakanta ng isang bahagi lamang. Ang diskarte na ito ay nagpapalawak sa nilalaman ng dalas, itinaas ang antas ng ipinadala na signal at pinatataas ang kalidad ng pagtanggap.

Inilarawan ng mga siyentipiko ang hindi pangkaraniwang bagay na ito bilang paglitaw ng isang relasyon, o pagkabit, sa pagitan ng pisikal na hiwalay na mga subsystem ng mga fibers ng nerve. Lumilikha ito ng isang mas malaki, dynamical system. Ang ideya ay hindi naiiba sa 350-taong-gulang na misteryo, sa wakas ay nalutas, kung paano mga orasan ng pendulum naka-mount sa parehong dingding na nag-synchronize sa pamamagitan ng maliit na pisikal na puwersa na ipinatupad sa sumusuporta na sinag.

Naniniwala ako at ang aking mga kasamahan na ang kaparehong kakayahang "pag-sync" ay maaaring humantong sa pagtuklas ng mga hindi pantay na panterapeutika na paggamot para sa mga sakit sa neurological tulad ng multiple sclerosis. Ito ay maaaring maisagawa gamit ang isang noninvasive na aparato ng neuromodulator sa ibabaw ng anit upang magbigay ng maliit, nonphysical na pasadyang mga puwang ng kuryente sa rehiyon ng utak apektado ng sakit. Sa pamamagitan ng hindi pagpapalit ng mga senyas ng utak ng pasyente, ang mga puwersang pantlang ng kuryente na ito ay lilikha ng isang malusog na kapaligiran ng neurological network para sa paglipat ng impormasyon.

Tulad ng mga tambol sa isang banda, ang mga brainwaves ay tumutulong sa 'panatilihin ang talunin.' Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Ang mga utak na gumulong sa mga tambol

Ang pangalawang paraan na pinutol ng mga talino sa signal clutter ay ang tinutukoy ng mga neuroscientist bilang key ng paghahatid. Ito ang papel na ginagampanan ng natural na ritmo ng utak, sikat na kilala bilang mga brainwaves.

Ang mga ritmo ng utak na ito ay nilikha ng mga selula ng nerbiyos na nag-apoy sa mga tiyak na pattern, na nagiging sanhi ng mga alon ng elektrikal na aktibidad sa ilang napakababang mga dalas, mula sa mga 0.5 hanggang 140 cycle bawat segundo. Sa pamamagitan ng paghahambing, ang mga smartphone ay nagpapatakbo sa paligid ng 5,000,000,000 cycle bawat segundo. Ang mga alon na makakatulong upang maihatid ang isang senyas sa isang patutunguhan sa maingay na kapaligiran ng utak ay lumilitaw na alinman sa mga alon ng Alpha, 8 hanggang 13 cycle bawat segundo, o Beta waves, 13 hanggang 32 cycle bawat segundo.

Sa aking lab, tinutukoy namin ang pangalawang aktibidad na ito tulad ng "pag-ikot ng mga tambol." Ang dalas ng utak ay katulad ng sa sub-bass o bass drum na ginamit upang markahan o panatilihin ang oras sa militar, bato, pop, jazz at tradisyonal na orkestra musika.

Ang mga low-frequency na ritmo na ito ay kumikilos bilang isang key ng paghahatid na humanga sa ipinadala na signal bilang isang karagdagang dalas. Ito ay uri ng tulad ng kung paano GPS signal i-synchronize ang mga network ng telecommunications. Sabihin na ang signal ng utak o paghahatid ng susi ay mga siklo ng 10 bawat segundo. Ang tagal ng oras ng isang ikot ay isang ikasampu ng isang segundo, kaya ang paghahatid ng susi ay nagbibigay ng isang marker sa oras sa punto ng pagtanggap tuwing ikasampu ng isang segundo.

Ang marker ng oras na ito ay lubos na kapaki-pakinabang sa tumpak na pagtanggap ng ipinadala na signal. Krusyo, bubukas lamang ang paghahatid ng susi na ito, o pag-activate, ang kandado sa inilaan na punto ng pagtanggap. Ang ideya ay hindi naiiba sa paggamit ng isang password upang makakuha ng pag-access sa mga tukoy na nilalaman.

Naniniwala ang mga Neuroscientist na ginamit ang pagpili ng key ng paghahatid nakasalalay sa estado ng indibidwal. Halimbawa, ang mga alon ng Alpha ay nauugnay sa nakakagising na pahinga sa mga mata na nakapikit. Ang mga beta beta ay nauugnay sa normal na nakakagising na kamalayan at konsentrasyon.

Ipagpalagay ng mga siyentipiko na nauugnay sa bawat key ng paghahatid, o ritmo ng utak, ay isang listahan ng mga pag-andar ng cognitive na naaayon sa estado ng indibidwal. Kaya, halimbawa, isang senyas na ipinadala gamit ang isang 10 cycle sa bawat segundo na ritmo ng utak ng alon ng Alpha na humanga dito ay mayroong impormasyong naka-encode sa loob tungkol sa nakakagising na pahinga.

Ang mga utak ng elektrikal na aktibidad ay kinilala halos 100 taon na ang nakalilipas, at ang mga mananaliksik ay patuloy na natututo nang higit pa tungkol sa kanila at ang kanilang papel sa pag-uugali at pag-andar ng utak.

Upang mapabuti ang mga sistema ng telecommunications, ang mga mananaliksik ay maaaring malaman mula sa kung paano gumagana ang utak. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Ang pagmomodelo ng mga built system sa utak

Ang pananaliksik ng aking lab sa mga network ng neurological ay may mga implikasyon para sa hindi lamang pag-unawa sa utak ng tao at pagbuo ng mga noninvasive diagnostic na pamamaraan at mga therapeutic na paggamot para sa iba't ibang mga neurological dysfunctions, ngunit din para sa pagdidisenyo ng mga pinahusay na system para sa telecommunication, networking, cybersecurity, artipisyal na intelihente at robotics.

Halimbawa, ang utak ng tao ay nagpapakita lamang kung magkano ang mas advanced na mga disenyo ng sistema ng network ng telecommunications ay maaaring. 5G cellular network inaasahan na maglingkod tungkol sa 1 milyong aparato sa isang square milya. Sa kaibahan, ang utak ng tao ay maaaring mabilis na magtatag ng hindi bababa sa 1 milyong mga koneksyon sa loob ng isang kubiko pulgada ng tisyu ng utak.

Ang mga disenyo ng network system ng telecommunications ngayon ay napilitan dahil mahalagang kumuha sila mula sa mga simulain ng isang disiplina - elektrikal at computer engineering. Kahit na ang pinakasimpleng mga circuit ng utak, ang mga fibre ng nerve, na tulad ng mga link sa isang network ng telecommunication, ay nagpapatakbo sa labis na kumplikadong paraan ayon sa pinagsamang prinsipyo ng biology, kemikal engineering, mechanical engineering at electrical at computer engineering.

Ang pagdidisenyo ng mga sistema na katulad sa kakayahan ng utak ng tao ay mangangailangan ng higit na diskarte sa multidisiplinary na makikita sa aking pangkat ng pananaliksik - isang koponan na iginuhit mula sa mga eksperto sa medisina, agham sa buhay, engineering at advanced na mga materyales - at pananaliksik mga kasosyo.

Tungkol sa Author

Salvatore Domenic Morgera, Propesor ng Electrical Engineering at Bioengineering, 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.

libro_science