Din hjärna leder flera orkestrar av information samtidigt. Upplyst ljud, CC BY

Den mänskliga hjärnan skickar hundratals miljarder neurala signaler varje sekund. Det är en utomordentligt komplex prestation.

En frisk hjärna måste etablera ett enormt antal korrekta anslutningar och se till att de förblir korrekta under hela informationsöverföringsperioden - det kan ta sekunder, vilket under "hjärntid" är ganska lång.

Hur kommer varje signal till sin avsedda destination?

Utmaningen för din hjärna liknar det du står inför när du försöker delta i konversationer på en bullrig cocktailfest. Du kan fokusera på personen du pratar med och "stänga av" de andra diskussionerna. Detta fenomen är selektiv hörsel - vad som kallas cocktail party effekt.

När alla på ett stort, trångt parti pratar med ungefär samma högtalighet, är den genomsnittliga ljudnivån för den person du pratar med ungefär lika med den genomsnittliga nivån för alla andra partygoers chatter tillsammans. Om det var ett satellit-TV-system skulle denna ungefär lika balans mellan önskad signal och bakgrundsljud resultera i dålig mottagning. Ändå är den här balansen tillräckligt bra för att du ska kunna förstå konversation på en livlig fest.

Hur gör den mänskliga hjärnan det genom att skilja mellan miljarder pågående "konversationer" i sig själv och låsa fast vid en specifik signal för leverans?

Mitt lags forskning i hjärnans neurologiska nätverk finns det två aktiviteter som stöder dess förmåga att upprätta tillförlitliga anslutningar i närvaro av betydande biologiskt bakgrundsbrus. Även om hjärnans mekanismer är ganska komplexa, fungerar dessa två aktiviteter som en elektrotekniker kallar a matchat filter - ett bearbetningselement som används i högpresterande radiosystem, och nu känt att existera i naturen.

Neuroner sjunger i harmoni

Låt oss ta ett ögonblick att fokusera på bara en av de hundratals miljarder nervfibrerna i den mänskliga hjärnan, av vilka många vanligtvis är aktiva vid en viss tidpunkt. De gör alla för att genomföra tankeprocesser som gör att människor kan fungera framgångsrikt och interagerar meningsfullt med varandra - stödjande förmågor som orientering, uppmärksamhet, minne, problemlösning och verkställande funktion.

Mitt forskarlag har utvecklat en modell som översätter biologisk hjärnaktivitet till det mänskliga hörbara området, så vi kan höra hjärnan på jobbet. Så här låter en enda nervfiber som överför sin signal i en idealisk, brusfri miljö:

När denna valda nervfiber sänder en signal till sin måldestination någon annanstans i hjärnan, är den upp mot bakgrundsbruset som orsakas av aktiviteten hos alla andra aktiva fibrer. Här är ljudet av samma fiber som nu är nedsänkt i hjärnans cocktailparty:

Bakgrundsbruset i hjärnan stimulerar en liten population av andra nervfibrer runt vår valda nervfiber till synkronisera och överföra ungefär samma meddelande. Denna synkronisering minskar ljudeffekten och förbättrar signalens tydlighet.

Det gör jobbet, men är inte perfekt. Det liknar många röster som sjunger i harmoni. Varje röst projicerar ljud vid sina unika frekvenser vid varje ögonblick, med summan av mängden röster som utvidgar frekvensområdet för varje enskild röst. Tänk på ett kör som fyller en musikhall med sin låt, i motsats till att en solist som bara sjunger en del. Denna strategi berikar frekvensinnehållet, höjer nivån på den överförda signalen och ökar mottagningens kvalitet.

Forskare beskriver detta fenomen som uppkomsten av ett förhållande, eller koppling, mellan fysiskt separerade delsystem av nervfibrer. Det skapar ett större, dynamiskt system. Idén är inte så annorlunda från det 350-åriga mysteriet, äntligen löst, om hur pendelklockor monterad på samma vägg synkroniseras genom små fysiska krafter som utövas på stödbalk.

Mina kollegor och jag tror att samma förmåga att "synkronisera" kan leda till upptäckten av icke-invasiva terapeutiska behandlingar för neurologiska störningar som t.ex. multipel skleros. Detta kan åstadkommas med hjälp av en icke-invasiv neuromodulatoranordning vid hårbottenytan för att tillhandahålla små, icke-fysiska anpassade elektriska fältkrafter till hjärnområdet drabbats av sjukdomen. Genom att icke-invasivt förändra patientens hjärnsignaler skulle dessa elektriska fältkrafter skapa en friskare neurologisk nätverksmiljö för informationsöverföring.

Liksom trummorna i ett band hjälper hjärnvågor "att hålla takten." Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Hjärnor som rullar trummorna

Det andra sättet som hjärnorna skär igenom signalstörren är vad neurovetenskapsmän hänvisar till som leveransnyckeln. Det är den roll som spelas av hjärnans naturliga rytmer, populärt känt som hjärnvågor.

Dessa hjärnrytmer skapas av nervceller som skjuter i specifika mönster, vilket orsakar vågor av elektrisk aktivitet vid vissa mycket låga frekvenser, från cirka 0.5 till 140 cykler per sekund. Som jämförelse fungerar smartphones med cirka 5,000,000,000 cykler per sekund. Vågorna som hjälper till att leverera en signal till en destination i hjärnans bullriga miljö verkar vara antingen alfa-vågor, 8 till 13 cykler per sekund eller Betavågor, 13 till 32 cykler per sekund.

I mitt labb hänvisar vi till den andra aktiviteten som att "rulla trummorna." Hjärnvågfrekvensen liknar den för subbas eller bastrum som används för att markera eller hålla tid i militär, rock, pop, jazz och traditionell orkester musik.

Dessa lågfrekvensrytmer fungerar som en leveransnyckel som är imponerad på den överförda signalen som en extra frekvens. Det är liksom hur GPS-signaler synkronisera telekommunikationsnät. Säg att hjärnvågsignalen eller leveransnyckeln är 10 cykler per sekund. Tidsvaraktigheten för en cykel är en tiondel av en sekund, så leveransnyckeln ger en tidsmarkering vid mottagningspunkten var tionde sekund.

Denna tidsmarkör är oerhört användbar vid exakt mottagning av den överförda signalen. Av avgörande betydelse öppnar eller aktiverar denna leveransnyckel bara låset vid den avsedda mottagningsplatsen. Idén skiljer sig inte så mycket från användningen av ett lösenord för att få tillgång till specifikt innehåll.

Neurovetenskapsmän tror att valet av leveransnyckel används beror på individens tillstånd. Till exempel är alfavågor associerade med vaken vila med slutna ögon. Betavågor är förknippade med normalt vaken medvetande och koncentration.

Forskare antar att associerat med varje leveransnyckel, eller hjärnrytm, är en lista över kognitiva funktioner som överensstämmer med individens tillstånd. Så, till exempel, en signal som skickas med 10-cykler per sekund alfavåls hjärnrytme imponerad av den har redan information kodad i den om vaken vila.

Hjärnvågor av elektrisk aktivitet var identifierade nästan 100 år sedanoch forskare lär sig ständigt mer om dem och deras roll i beteende och hjärnfunktion.

För att förbättra telekommunikationssystem kan forskare lära sig hur hjärnan gör sitt arbete. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modellera inbyggda system på hjärnan

Mitt laboratoriums forskning om neurologiska nätverk har konsekvenser för att inte bara förstå den mänskliga hjärnan och utveckla icke-invasiva diagnostiska procedurer och terapeutiska behandlingar för olika neurologiska dysfunktioner, utan också för att utforma förbättrade system för telekommunikation, nätverk, cybersäkerhet, artificiell intelligens och robotik.

Den mänskliga hjärnan visar till exempel hur mycket mer avancerade system för telekommunikationsnätverk kan vara. 5G mobilnätverk hoppas kunna tjäna cirka 1 miljoner enheter på en kvadratkilometer. Däremot kan den mänskliga hjärnan snabbt upprätta minst 1 miljoner anslutningar inom en kubik tum hjärnvävnad.

Dagens konstruktion av system för telekommunikationsnätverk begränsas eftersom de huvudsakligen bygger på principerna för en disciplin - el- och datorteknik. Till och med de enklaste kretsarna i hjärnan, nervfibrerna, som är som länkarna i ett telekommunikationsnätverk, fungerar på mycket komplexa sätt enligt kombinerade principer för biologi, kemiteknik, maskinteknik och elektroteknik och datorteknik.

Att designa system som liknar den mänskliga hjärnan kommer att kräva det mycket mer tvärvetenskapliga synsätt som återspeglas i min forskargrupp - ett team från experter inom medicin, biovetenskap, teknik och avancerade material - och forskning partner.

Om författaren

Salvatore Domenic Morgera, Professor i elektroteknik och bioingenjör, University of South Florida

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

books_science