Jak działa mózg, pozostaje zagadką z zaledwie kilkoma kawałkami na miejscu. Spośród nich, jeden duży kawałek jest właściwie przypuszczeniem: że istnieje związek między fizyczną strukturą mózgu a jego funkcjonalnością.

Zadania mózgu obejmują interpretację dotyku, sygnałów wizualnych i dźwiękowych, a także mowę, rozumowanie, emocje, uczenie się, precyzyjną kontrolę ruchu i wiele innych. Neurobiolodzy zakładają, że to anatomia mózgu – z jego setkami miliardów włókien nerwowych – sprawia, że wszystkie te funkcje są możliwe. Żywe przewody” mózgu są połączone w skomplikowane sieci neurologiczne, które dają początek niesamowitym zdolnościom człowieka.

Wydawałoby się, że jeśli naukowcy mogą mapować włókna nerwowe i ich połączenia oraz rejestrować czas impulsów, które przepływają przez nie dla wyższej funkcji, takiej jak widzenie, powinni być w stanie rozwiązać kwestię tego, jak ktoś widzi, na przykład. Naukowcy są coraz lepsi w mapowaniu mózgu za pomocą traktografii – techniki, która wizualnie przedstawia trasy włókien nerwowych za pomocą modelowania 3D. I są coraz lepsze w rejestrowaniu, jak informacje porusza się w mózgu za pomocą ulepszonego funkcjonalnego rezonansu magnetycznego do pomiaru przepływu krwi.

Ale pomimo tych narzędzi, nikt nie wydaje się znacznie bliżej do rozgryzienia, jak naprawdę widzimy. Neuronauka ma jedynie szczątkowe zrozumienie tego, jak to wszystko do siebie pasuje.

Aby zaradzić temu niedociągnięciu, badania bioinżynieryjne mojego zespołu skupiają się na związkach między strukturą i funkcją mózgu. Ogólnym celem jest naukowe wyjaśnienie wszystkich połączeń – zarówno anatomicznych, jak i bezprzewodowych – które aktywują różne regiony mózgu podczas wykonywania zadań poznawczych. Pracujemy nad złożonymi modelami, które lepiej uchwycą to, co naukowcy wiedzą o funkcjonowaniu mózgu.

W ostatecznym rozrachunku jaśniejszy obraz struktury i funkcji może dopracować sposoby, w jakie chirurgia mózgu próbuje skorygować strukturę i odwrotnie, leki próbują skorygować funkcję.

Bezprzewodowe gorące punkty w twojej głowie

Funkcje poznawcze, takie jak rozumowanie i uczenie się, wykorzystują szereg odrębnych regionów mózgu w sposób następczy w czasie. Sama anatomia – neurony i włókna nerwowe – nie może wyjaśnić pobudzenia tych regionów, równolegle lub w tandemie.

Niektóre połączenia są rzeczywiście „bezprzewodowe”. Są to elektryczne połączenia bliskiego pola, a nie fizyczne połączenia uchwycone w tractographs.

Mój zespół badawczy pracował przez kilka lat wyszczególniając pochodzenie tych bezprzewodowych połączeń i mierząc ich natężenia pola. Bardzo prosta analogia tego, co dzieje się w mózgu jest jak bezprzewodowy router działa. Internet jest dostarczany do routera za pomocą połączenia przewodowego. Router następnie wysyła informacje do laptopa za pomocą połączeń bezprzewodowych. Ogólny system przekazywania informacji działa dzięki zarówno przewodowym, jak i bezprzewodowym połączeniom.

W przypadku mózgu, komórki nerwowe przewodzą impulsy elektryczne w dół długich, podobnych do nici ramion zwanych aksonami z ciała komórki do innych neuronów. Po drodze, sygnały bezprzewodowe są naturalnie emitowane z nieizolowanych części komórek nerwowych. Te miejsca, w których brakuje ochronnej izolacji, która otacza resztę aksonu, nazywane są węzłami Ranviera.

Węzły Ranviera umożliwiają dyfuzję naładowanych jonów do wewnątrz i na zewnątrz neuronu, propagując sygnał elektryczny w dół aksonu. W miarę jak jony wpływają i wypływają, generowane są pola elektryczne. Intensywność i struktura tych pól zależy od aktywności komórki nerwowej.

Tutaj, w Global Center for Neurological Networks, skupiamy się na tym, jak te bezprzewodowe sygnały działają w mózgu w celu przekazywania informacji.

Nieliniowy świat mózgu

Badania nad tym, jak pobudzone regiony mózgu dopasowują się do funkcji poznawczych, popełniają kolejny błąd, gdy opierają się na założeniach, które prowadzą do zbyt prostych modeli.

Badacze mają tendencję do modelowania związku jako liniowego z pojedynczą zmienną, mierząc średnią wielkość odpowiedzi pojedynczego regionu mózgu. To logika stojąca za projektem pierwszego aparatu słuchowego – jeśli głos danej osoby staje się dwa razy głośniejszy, ucho powinno zareagować dwa razy mocniej.

Ale aparaty słuchowe zostały znacznie ulepszone na przestrzeni lat, ponieważ naukowcy lepiej zrozumieli, że ucho nie jest systemem liniowym i potrzebna jest forma nieliniowej kompresji, aby dopasować generowane dźwięki do możliwości słuchacza. W rzeczywistości, większość istot żywych nie posiada systemów sensorycznych, które reagują w sposób liniowy, jeden do jednego na bodźce.

Modele liniowe zakładają, że jeśli wejście do systemu zostanie podwojone, wyjście tego systemu również zostanie podwojone. Nie jest to prawdą w modelach nieliniowych, gdzie wiele wartości wyjściowych może istnieć dla pojedynczej wartości wejścia. A większość naukowców zgadza się, że obliczenia neuronowe są w rzeczywistości nieliniowe.

Kluczowym pytaniem w zrozumieniu związku między mózgiem a zachowaniem jest to, jak mózg decyduje o najlepszym sposobie działania wśród konkurujących alternatyw. Na przykład, kora czołowa mózgu dokonuje optymalnych wyborów poprzez obliczanie wielu wielkości lub zmiennych – obliczanie potencjalnej korzyści, prawdopodobieństwa sukcesu i kosztów w kategoriach czasu i wysiłku. Ponieważ system jest nieliniowy, podwojenie potencjalnej wypłaty może sprawić, że ostateczna decyzja będzie znacznie bardziej niż dwukrotnie bardziej prawdopodobna.

Modele liniowe pomijają bogatą różnorodność możliwości, które mogą wystąpić w funkcjonowaniu mózgu, zwłaszcza tych wykraczających poza to, co sugerowałaby struktura anatomiczna. To jest jak różnica między 2D i 3D reprezentacji świata wokół nas.

Obecne modele liniowe tylko opisać średni poziom pobudzenia w regionie mózgu, lub przepływ przez powierzchnię mózgu. To znacznie mniej informacji niż moi koledzy i ja wykorzystujemy podczas budowania naszych nieliniowych modeli na podstawie danych z rozszerzonego funkcjonalnego rezonansu magnetycznego i bioobrazowania elektrycznego bliskiego pola. Nasze modele zapewniają trójwymiarowy obraz przepływu informacji przez powierzchnie mózgu i do głębi w nim – i przybliżają nas do przedstawienia, jak to wszystko działa.

Normalna anatomia, fizjologiczna dysfunkcja

Mój zespół badawczy jest zaintrygowany faktem, że ludzie z całkowicie normalnie wyglądającymi strukturami mózgu mogą nadal mieć poważne problemy funkcjonalne.

W ramach naszych badań nad dysfunkcjami neurologicznymi odwiedzamy osoby w hospicjach, grupach wsparcia w żałobie, placówkach opieki rehabilitacyjnej, centrach urazowych i szpitalach ostrej opieki. Jesteśmy konsekwentnie zaskakiwani, gdy uświadamiamy sobie, że ludzie, którzy stracili bliskich, mogą wykazywać podobne objawy do tych, które występują u pacjentów, u których zdiagnozowano chorobę Alzheimera.

Żałoba jest serią emocjonalnych, poznawczych, funkcjonalnych i behawioralnych reakcji na śmierć lub inne rodzaje strat. Nie jest to stan, ale raczej proces, który może być tymczasowy lub trwający.

Zdrowo wyglądające mózgi osób cierpiących na fizjologiczny żal nie mają tych samych problemów anatomicznych – w tym skurczonych regionów mózgu i zaburzonych połączeń między sieciami neuronów – które występują u osób z chorobą Alzheimera.

Wierzymy, że jest to tylko jeden przykład tego, jak gorące punkty mózgu – te połączenia, które nie są fizyczne – plus bogactwo nieliniowego działania mózgu może prowadzić do wyników, które nie zostałyby przewidziane przez skanowanie mózgu. Istnieje prawdopodobnie wiele więcej examples.

Te pomysły mogą wskazywać drogę do łagodzenia poważnych warunków neurologicznych poprzez nieinwazyjne środki. Terapia żałobna i nieinwazyjne, elektryczne urządzenia neuromodulacyjne bliskiego pola mogą zmniejszyć objawy związane z utratą ukochanej osoby. Być może te protokoły i procedury powinny być szerzej oferowane pacjentom cierpiącym z powodu dysfunkcji neurologicznych, u których badania obrazowe ujawniają zmiany anatomiczne. Mogłoby to uratować niektóre z tych osób przed inwazyjnymi procedurami chirurgicznymi.

Diagramowanie wszystkich niefizycznych połączeń mózgu przy użyciu naszych ostatnich osiągnięć w elektrycznym mapowaniu bliskiego pola, oraz zastosowanie tego, co uważamy za biologicznie realistyczne wielozmienne modele nieliniowe, przybliży nas o krok do miejsca, w którym chcemy się znaleźć. Lepsze zrozumienie mózgu nie tylko zmniejszy potrzebę inwazyjnych procedur operacyjnych w celu skorygowania funkcji, ale także doprowadzi do stworzenia lepszych modeli tego, co mózg robi najlepiej: obliczeń, pamięci, tworzenia sieci i dystrybucji informacji.

.