Wetenskaplikes is nog besig om die legkaart van hoe die brein werk, saam te voeg. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images
Hoe die brein werk, bly 'n legkaart met slegs 'n paar stukke op hul plek. Daarvan is een groot stuk eintlik 'n veronderstelling: dat daar 'n verhouding tussen die fisiese struktuur van die brein en die funksionaliteit daarvan.
Die take van die brein sluit in interpreterende aanraking, visuele en klankinsette, sowel as spraak, redenasie, emosies, leer, fyn beheer oor beweging en vele ander. Neurowetenskaplikes veronderstel dat dit die anatomie van die brein is - met honderde biljoene senuweevesels - wat al hierdie funksies moontlik maak. Die "lewende drade" van die brein word verbind in uitgebreide neurologiese netwerke wat aanleiding gee tot die ongelooflike vermoëns van mense.
Dit wil voorkom asof wetenskaplikes die senuweevesels en hul verbindings kan karteer en die tydsberekening van die impulse wat deur hulle vloei vir 'n hoër funksie soos visie kan aanteken, hulle die vraag hoe 'n mens byvoorbeeld kan sien, kan oplos. Navorsers word beter met die gebruik van die brein traktaat - 'n tegniek wat visuele veselroetes visueel voorstel met behulp van 3D-modellering. En dit word beter om aan te teken hoe inligting deur die brein beweeg deur verbeterde funksionele magnetiese resonansbeelding te gebruik om bloedvloei te meet.
Maar ten spyte van hierdie instrumente, lyk niemand veel nader daaraan om dit uit te vind nie hoe ons regtig sien. Neurowetenskap het slegs 'n rudimentêre begrip van hoe dit alles bymekaar pas.
Om hierdie tekortkoming aan te spreek, my span se bio-ingenieursnavorsing fokus op verwantskappe tussen breinstruktuur en -funksie. Die oorkoepelende doel is om alle verbindings - anatomies en draadloos - wat verskillende breinstreke tydens kognitiewe take aktiveer, wetenskaplik te verklaar. Ons werk aan komplekse modelle wat wetenskaplikes van breinfunksie beter ken.
Uiteindelik kan 'n duideliker beeld van die struktuur en funksie die manier waarop breinchirurgie poog om struktuur te korrigeer, en omgekeerd, medikasie probeer om die funksie reg te stel.
Elektriese nabyveldverbindings bied 'n ander vlak van kommunikasie binne die brein. PM Images / Stone via Getty Images
Draadlose warm kolle in u kop
Kognitiewe funksies soos redenering en leer gebruik 'n aantal verskillende breinstreke op 'n tyd-volgorde. Anatomie alleen - die neurone en senuweevesels - kan nie die opwinding van hierdie streke, gelyktydig of in tandem, verklaar nie.
Sommige verbindings is eintlik 'draadloos'. Hierdie is elektriese nabyveldverbindings, en nie die fisiese verbindings wat in traktaatjies vasgelê is nie.
My navorsingspan het etlike jare gewerk met die besonderhede oor die oorsprong van hierdie draadlose verbindings en hul veldsterkte te meet. 'N Baie eenvoudige analogie van wat in die brein aangaan, is hoe 'n draadlose router werk. Die internet word via 'n bedrade verbinding aan 'n router gelewer. Die router stuur dan die inligting na u skootrekenaar met behulp van draadlose verbindings. Die algehele stelsel van inligtingoordrag werk as gevolg van draad- en draadlose verbindings.
Elektriese velde spruit uit gelaaide deeltjies wat in en uit neurone vloei by hul ongeïsoleerde knope van Ranvier. ttsz / iStock via Getty Images Plus
In die geval van die brein lei senuweeselle elektriese impulse langs lang draadagtige arms, wat asse van die sel na ander neurone genoem word. Langs die pad word draadlose seine natuurlik uit ongeïsoleerde gedeeltes van senuweeselle vrygestel. Hierdie kolle wat nie die beskermende isolasie bevat wat die res van die akson omvou nie, word genoem knope van Ranvier.
Die knope van Ranvier laat gelaaide ione in en uit die neuron diffundeer en die elektriese sein langs die akson versprei. Soos die ione in en uit vloei, word elektriese velde opgewek. Die intensiteit en struktuur van hierdie velde hang af van die aktiwiteit van die senuweesel.
Hier by die Wêreldwye sentrum vir neurologiese netwerke ons fokus op hoe dit gaan draadlose seine werk in die brein om inligting te kommunikeer.
Die nie-lineêre wêreld van die brein
Ondersoeke na hoe opgewonde breinstreke ooreenstem met kognitiewe funksies maak 'n ander fout as hulle staatmaak op aannames wat lei tot te eenvoudige modelle.
Navorsers is geneig om die verhouding te modelleer as lineêr met 'n enkele veranderlikeen meet die gemiddelde grootte van 'n enkele brein se respons. Dit is die logika agter die ontwerp van die eerste gehoorapparaat - As 'n persoon se stem twee keer so groot word, moet die oor twee keer soveel reageer.
Gebruikers van gehoorapparate weet dat die verdubbeling van die sensoriese inset 'n rudimentêre oplossing is. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus
Maar gehoorapparate het deur die jare aansienlik verbeter, aangesien navorsers beter besef het dat die oor nie 'n lineêre stelsel is nie, en dat 'n vorm van nie-lineêre kompressie nodig is om die klanke wat by die luisteraar se vermoë gegenereer word, te pas. In werklikheid, die meeste lewende dinge het nie sensorsisteme wat op 'n lineêre, een-tot-een-manier reageer op stimuli nie.
Lineêre modelle aanvaar dat as die inset na 'n stelsel verdubbel word, die uitset van die stelsel ook verdubbel sal word. Dit is nie waar vir nie-lineêre modelle, waar baie uitsetwaardes kan bestaan ​​vir 'n enkele insetwaarde. En dit is die meeste wetenskaplikes dit eens neurale berekeninge is in werklikheid nie-lineêr.
'N Belangrike vraag om die verband tussen brein en gedrag te verstaan, is hoe die brein die beste manier van aksie tussen mededingende alternatiewe besluit. Byvoorbeeld, die voorste korteks van die brein maak optimale keuses deur berekening van baie hoeveelhede, of veranderlikes - berekening van die potensiële uitbetaling, die waarskynlikheid van sukses en die koste in terme van tyd en moeite. Aangesien die stelsel nie lineêr is nie, kan die verdubbeling van die potensiële uitbetaling 'n finale besluit neem wat meer as twee keer so waarskynlik is.
Die vloei van inligting deur die brein is baie meer ingewikkeld en dinamies as wat 'n 2D-model voldoende kan voorstel.
Lineêre modelle mis die ryke verskeidenheid moontlikhede wat in breinfunksie kan voorkom, veral dié buiten wat anatomiese struktuur sou voorstel. Dit is soos die verskil tussen 'n 2D- en 3D-voorstelling van die wêreld rondom ons.
Huidige lineêre modelle beskryf net die gemiddelde opwindingsvlak in 'n breinstreek, of die vloei oor 'n breinoppervlak. Dit is baie minder inligting as wat ek en my kollegas gebruik om ons nie-lineêre modelle op te bou uit verbeterde funksionele magnetiese resonansbeelding en elektriese bio-beelddata in die nabye veld. Ons modelle bied 'n 3D-beeld van informasievloei oor die breinoppervlaktes en dieptes daarin - en stel ons nader aan die voorstelling van hoe dit werk.
'N Gesonde brein kan funksionele probleme hê. Wetenskaplike fotobiblioteek via Getty Images
Normale anatomie, fisiologiese disfunksie
My navorsingspan is geïnteresseerd in die feit dat mense met breinstrukture wat normaalweg normaal lyk, steeds groot funksionele probleme kan hê.
As deel van ons navorsing oor neurologiese disfunksie, besoek ons ​​individue in hospies, ondersteuningsgroepe vir rou, rehabilitasiesorg, traumasentrums en hospitale vir akute sorg. Ons word konstant geskok om te besef dat mense wat geliefdes verloor het, dit kan doen toon soortgelyke simptome aan dié van pasiënte wat met Alzheimersiekte gediagnoseer is.
Grief is 'n reeks emosionele, kognitiewe, funksionele en gedragsreaksies op die dood of ander vorme van verlies. Dit is nie 'n staat nie, maar eerder 'n proses wat tydelik of deurlopend kan wees.
Die gesonde breine van diegene wat ly fisiologiese hartseer het nie dieselfde anatomiese probleme nie - insluitend gekrimpte breinstreke en ontwrigte verbindings tussen netwerke van neurone - wat by mense met Alzheimersiekte voorkom.
Ons glo dat dit slegs een voorbeeld is van hoe die breine se warm plekkies - die verbindings wat nie fisiek is nie - plus die rykdom van die brein se nie-lineêre werking kan lei tot uitkomste wat nie deur breinskandering voorspel kan word nie. Daar is waarskynlik baie meer voorbeelde.
Hierdie idees kan die weg wys na die versagting van ernstige neurologiese toestande deur nie-indringende middele. Roosterapie en nie-indringende, elektriese neuromodulasietoestelle in die nabye veld kan die simptome wat verband hou met die verlies van 'n geliefde verminder. Miskien moet hierdie protokolle en prosedures wyer aangebied word aan pasiënte wat aan neurologiese disfunksie ly, waar beelding anatomiese veranderinge aan die lig bring. Dit kan sommige van hierdie individue red van indringende chirurgiese prosedures.
As ons al die nie-fisiese skakels van die brein raaksien deur gebruik te maak van ons onlangse vooruitgang in die elektriese kartering van die nabye veld, en gebruik te maak van wat volgens ons biologies realistiese nie-lineêre modelle is, sal ons 'n stap nader kom waarheen ons wil gaan. 'N Beter begrip van die brein sal nie net die behoefte aan indringende bedryfsprosedures verminder om die funksie reg te stel nie, maar sal ook lei tot beter modelle vir wat die brein die beste doen: berekening, geheue, netwerk en inligtingverspreiding.
Salvatore Domenic Morgera, professor in elektriese ingenieurswese en bio-ingenieurswese, Tau Beta Pi Eminent Engineer, Universiteit van Suid-Florida