תהודה אקראית

תהודה אקראית (SR - Stochastic Resonance) היא תופעה של שיפור אותות בעקבות רעש על יד הגדלת היחס בין האות לרעש. הרעש יכול להיות אקראי או פרקטלי והוא יכול להתקיים בתוך המערכת או להתווסף אליה ממקור חיצוני כלשהו. תהודה אקראית מתרחשת בכל מערכת תקשורת מבוססת-סף, המחייבת מעבר של סף מסוים לצורך קליטת האות. בהתאם לכך, במערכות לא ליניאריות מסוימות כמו מעגלים חשמליים ומערכות חישה ביולוגיות הנוכחות של רעש יכולה להעצים את היכולת לאתר אותות חלשים. ניתן למצוא תהודה אקראית בטבע בכל מערכת דינמית שאינה ליניארית, אשר אינה עובדת ברמה האופטימלית שלה. תהודת סף אקראית (threshold stochastic resonance (tSR, היא מצב שבו אות תת-סיפי שאינו ניתן לאיתור ורעש שעובר את הסף באופן אקראי ואינו מספק מידע אודות האות מתקיימים ביחס אופטימלי. במצב זה ההסתברות של הרעש לעבור את הסף מושפעת מאפנון האמפליטודה של האות ובכך מספק מידע אודותיו. על פי רוב, הרעש נתפס כמזיק לתפקוד הקוגניטיבי. עם זאת, התופעה של תהודה אקראית נמצאת גם במערכת העצבים, כך שכמות מסוימת של רעש יכולה דווקא להיטיב עם התפקוד הקוגניטיבי. תהודה אקראית יכולה להעצים את התפקוד הקוגניטיבי משום שהיעדר מוחלט של רעש הוא לא המצב המיטבי עבור יכולת האיתור של אותו חלשים במערכות לא ליניאריות, כמו מערכת התפיסה של יצורים חיים. למעשה, קיימת רמת רעש אידיאלית שבה יכולת הקליטה של אותות חלשים מוגברת. היחס בין התפקוד הקוגניטיבי לרמת הרעש הוא בצורת '∩', כך שהביצוע המיטבי מתרחש ברמות רעש מתונות. כתוצאה מכך הוספת כמות קטנה של רעש למעגל עצבי יכולה להגביר את הסנכרון בין רכיביו. לעומת זאת הוספה של כמות גדולה עלולה לשבש פעילות סינכרונית. דוגמה פשוטה ליתרון של תהודה אקראית היא באיתור של אותות חושיים. כאשר מוצג צליל חלש הנמצא מתחת לסף השמיעה, ניתן לגלות אותו לאחר שרעש אקראי או רעש לבן מתווסף לאות. רעש שנמצא בסביבה החיצונית של האדם ונקלט על ידי החושים שלו, מכניס רעש למערכת העצבית באמצעות תהליכי התפיסה. בנוסף, גם תאי עצב יכולים ליצור כמות משמעותית של רעש פנימי. הרעש הפנימי של מערכת העצבים מקושר לרמות הרקע (tone) של המוליך העצבי דופמין והוא מאפשר לשפר את התפקוד של מערכת העצבים גם בסביבות שקטות שבהן לא קיים רעש חיצוני. מכאן שהדופמין תורם לעיבוד אותות מיטבי של מערכת העצבים על ידי שיפור יחס אות לרעש. לא רק זאת, אלא שהשיא של עקומת התהודה האקראית של מערכת העצבים תלוי ברמת המוליך העצבי דופמין. בהתאם לכך, הקשר בין הדופמין לתפקודים קוגניטיביים אינו ליניארי אלא בעל צורה של U הפוכה, כך שעודף או חוסר של דופמין יכולים להוביל לפגיעה בתפקוד. נמצא שרעש יכול לשפר את התפקוד הקוגניטיבי של אנשים עם הפרעת קשב, אך לפגוע בתפקוד של אנשים ללא הפרעת קשב. כדי ליצור אופטימיזציה של התהודה האקראית עבור אנשים עם הפרעת קשב באמצעות רעש חיצוני, הרעש צריך להיות מתמשך באופן שאינו מסיח את תשומת הלב וברמת אנרגיה גבוה בכל התדירויות, כמו למשל: רעש לבן ורעש ורוד. תהליך סטוכסטי מדיה וקבצים בנושא תהודה אקראית בוויקישיתוף תהודה אקראית, באתר MathWorld (באנגלית) Söderlund, G.,B.W., Sikström, S., Loftesnes, J. M., & Sonuga-Barke, E. (2010). The effects of background white noise on memory performance in inattentive school children. Behavioral and Brain Functions, 6, 55. Binder, M. D., Hirokawa, N., Windhorst, U., & Hirsch, M. C. (2009). Encyclopedia of Neuroscience. Springer. Wiesenfeld, K., & Moss, F. (1995). Stochastic resonance and the benefits of noise: from ice ages to crayfish and SQUIDs. Nature, 373(6509), 33-36. Ward, L. M., Doesburg, S. M., Kitajo, K., MacLean, S. E., & Roggeveen, A. B. (2006). Neural synchrony in stochastic resonance, attention, and consciousness. Canadian Journal of Experimental Psychology/Revue canadienne de psychologie expérimentale, 60(4), 319. Söderlund, G., Sikström, S., & Smart, A. (2007). Listen to the noise: noise is beneficial for cognitive performance in ADHD. Journal of Child Psychology and Psychiatry, 48(8), 840-847. Kroener, S., Chandler, L., Phillips, P. M., & Seamans, J. K. (2009). Dopamine Modulates Persistent Synaptic Activity and Enhances the Signal-to-Noise Ratio in the Prefrontal Cortex. Plos ONE, 4(8), 1-14. Bertolino, A., Di Giorgio, A., Blasi, G., Sambataro, F., Caforio, G., Sinibaldi, L., ... & Dallapiccola, B. (2008). Epistasis between dopamine regulating genes identifies a nonlinear response of the human hippocampus during memory tasks. Biological psychiatry, 64(3), 226-234. Cools, R., & D'Esposito, M. (2011). Inverted-U–Shaped Dopamine actions on human working memory and cognitive control. Biological psychiatry, 69(12), e113-e125. Arnsten, A. F. (2011). Catecholamine influences on dorsolateral prefrontal cortical networks. Biological psychiatry, 69(12), e89-e99.