Forskare samlar fortfarande pusslet om hur hjärnan fungerar. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images
Hur hjärnan fungerar förblir ett pussel med bara några få bitar på plats. Av dessa är ett stort stycke faktiskt en antagning: att det finns en relation mellan hjärnans fysiska struktur och dess funktionalitet.
Hjärnans jobb inkluderar tolkning av beröring, visuella och ljudingångar samt tal, resonemang, känslor, lärande, fin kontroll av rörelse och många andra. Neurovetenskapsmän antar att det är hjärnans anatomi - med sina hundratals miljarder nervfibrer - som gör alla dessa funktioner möjliga. Hjärnans ”levande ledningar” är anslutna i utarbetade neurologiska nätverk som ger upphov till människans fantastiska förmågor.
Det verkar som om forskare kan kartlägga nervfibrerna och deras anslutningar och registrera tidpunkten för impulserna som strömmar genom dem för en högre funktion som syn, de borde kunna lösa frågan om hur man ser till exempel. Forskare blir bättre på att kartlägga hjärnan med traktografi - en teknik som visuellt representerar nervfibervägar med 3D-modellering. Och de blir bättre på att registrera hur information rör sig genom hjärnan genom att använda förbättrad funktionell magnetisk resonansavbildning för att mäta blodflödet.
Men trots dessa verktyg verkar ingen mycket närmare att räkna ut hur vi verkligen ser. Neurovetenskap har bara en rudimentär förståelse för hur allt passar ihop.
För att hantera denna brist, mitt teams bioingenjörsforskning fokuserar på förhållanden mellan hjärnans struktur och funktion. Det övergripande målet är att vetenskapligt förklara alla anslutningar - både anatomiska och trådlösa - som aktiverar olika hjärnregioner under kognitiva uppgifter. Vi arbetar med komplexa modeller som bättre fångar vad forskare vet om hjärnfunktion.
I slutändan kan en tydligare bild av struktur och funktion finjustera hur hjärnkirurgi försöker korrigera struktur och omvänt mediciner försöker korrigera funktion.
Elektriska nägefältanslutningar ger en annan nivå av kommunikation i hjärnan. PM-bilder / Stone via Getty Images
Trådlösa hotspots i huvudet
Kognitiva funktioner som resonemang och inlärning använder ett antal distinkta hjärnregioner på ett tidssekvenserat sätt. Anatomi ensam - nervcellerna och nervfibrerna - kan inte förklara excitationen i dessa regioner, samtidigt eller i tandem.
Vissa anslutningar är faktiskt "trådlösa." Dessa är elektriska näsfältanslutningar, och inte de fysiska anslutningarna som fångas i traktografer.
Mitt forskargrupp har arbetat i flera år med detaljer om ursprunget till dessa trådlösa anslutningar och mäta deras fältstyrkor. En mycket enkel analogi av vad som händer i hjärnan är hur en trådlös router fungerar. Internet levereras till en router via en fast anslutning. Routern skickar sedan informationen till din bärbara dator med trådlösa anslutningar. Det övergripande systemet för informationsöverföring fungerar på grund av både trådbundna och trådlösa anslutningar.
Elektriska fält härrör från laddade partiklar som flödar in och ut från nervceller vid deras oisolerade noder i Ranvier. ttsz / iStock via Getty Images Plus
När det gäller hjärnan leder nervceller elektriska impulser ner långa trådliknande armar som kallas axoner från cellkroppen till andra nervceller. Längs vägen avges naturligtvis trådlösa signaler från oisolerade delar av nervceller. Dessa fläckar som saknar den skyddande isoleringen som lindar resten av axon kallas noder av Ranvier.
Ranviers noder tillåter laddade joner att diffundera in och ut ur nervcellen och sprider den elektriska signalen nedåt axon. När jonerna flyter in och ut genereras elektriska fält. Intensiteten och strukturen för dessa fält beror på nervcellens aktivitet.
Här på Globalt centrum för neurologiska nätverk vi fokuserar på hur dessa trådlösa signaler fungerar i hjärnan att kommunicera information.
Hjärnans icke-linjära värld
Undersökningar av hur upphetsade hjärnregioner matchar kognitiva funktioner gör ytterligare ett misstag när de förlitar sig på antaganden som leder till alltför enkla modeller.
Forskare tenderar att modellera förhållandet som linjär med en enda variabel, mätning av medelstorleken på en enda hjärnregions svar. Det är logiken bakom design av det första hörapparaten - Om en persons röst växer dubbelt så högt, bör örat svara dubbelt så mycket.
Hörapparatanvändare vet att bara en fördubbling av sensorisk input är en rudimentär fix. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus
Men hörapparater har förbättrats kraftigt genom åren eftersom forskare har kommit till bättre förståelse att örat inte är ett linjärt system, och en form av olinjär kompression behövs för att matcha ljud som genereras till lyssnarens förmåga. Faktum är att de flesta levande saker har inte avkänningssystem som svarar på ett linjärt, en-till-ett-sätt på stimuli.
Linjära modeller antar att om ingången till ett system fördubblas kommer systemets utgång också att fördubblas. Detta är inte sant för icke-linjära modeller, där många utgångsvärden kan existera för ingångens enda värde. Och de flesta forskare håller med om det neurala beräkningar är faktiskt olinjära.
En avgörande fråga för att förstå kopplingen mellan hjärna och beteende är hur hjärnan bestämmer den bästa handlingen mellan konkurrerande alternativ. Till exempel gör hjärnans främre cortex optimala val genom beräkna många mängder eller variabler - beräkna den potentiella vinsten, sannolikheten för framgång och kostnaden i termer av tid och ansträngning. Eftersom systemet är olinjärt kan fördubbling av den potentiella vinsten göra ett slutligt beslut mycket mer än dubbelt så troligt.
{vembed V=394259925} Informationsflödet genom hjärnan är mycket mer komplicerat och dynamiskt än en 2D-modell kan tillräckligt representera.
Linjära modeller missar den rika mångfalden av möjligheter som kan uppstå i hjärnfunktionen, särskilt de utöver vad anatomisk struktur skulle föreslå. Det är som skillnaden mellan en 2D- och 3D-representation av världen runt oss.
Nuvarande linjära modeller beskriver bara den genomsnittliga excitationsnivån i en hjärnregion eller flödet över en hjärnyta. Det är mycket mindre information än mina kollegor och jag använder när jag bygger våra olinjära modeller från både förbättrad funktionell magnetisk resonansavbildning och elektrisk biofileringsdata för närfält. Våra modeller ger en 3D-bild av informationsflödet över ytorna i hjärnan och till djupet i den - och får oss närmare att representera hur allt fungerar.
En hälsosam utseende hjärna kan ha funktionella problem. Vetenskapligt fotobibliotek via Getty Images
Normal anatomi, fysiologisk dysfunktion
Mitt forskarlag är fascinerat av det faktum att människor med helt normala hjärnstrukturer fortfarande kan ha stora funktionella problem.
Som en del av vår forskning om neurologisk dysfunktion besöker vi individer på hospice, stödtjänstgrupper för sömn, rehabiliteringsomsorg, traumecentrum och akutvårdssjukhus. Vi är konstant förvånade över att inse att människor som har tappat nära och kära kan uppvisar liknande symptom till de hos patienter som diagnostiserats med Alzheimers sjukdom.
Sorg är en serie känslomässiga, kognitiva, funktionella och beteendemässiga svar på döden eller andra typer av förlust. Det är inte en stat utan snarare en process som antingen kan vara tillfällig eller pågående.
De som lider hälsosamt ut fysiologisk sorg har inte samma anatomiska problem - inklusive krympta hjärnregioner och störda förbindelser mellan nätverk av nervceller - som finns hos personer med Alzheimers sjukdom.
Vi tror att detta bara är ett exempel på hur hjärnans hotspots - de anslutningar som inte är fysiska - plus rikedomen i hjärnans icke-linjära operation kan leda till resultat som inte skulle förutsägas av en hjärnscanning. Det finns troligt många fler exempel.
Dessa idéer kan peka på vägen till mildring av allvarliga neurologiska tillstånd med icke-invasiva medel. Slagterapi och icke-invasiva, elektriska nägefält neuromoduleringsanordningar kan minska symtomen som är förknippade med förlusten av en nära och kära. Kanske borde dessa protokoll och förfaranden i högre grad erbjudas patienter som lider av neurologisk dysfunktion där avbildning avslöjar anatomiska förändringar. Det kan rädda några av dessa individer från invasiva kirurgiska ingrepp.
Om vi schematiserar alla hjärnans icke-fysiska länkar med våra senaste framsteg inom elektrisk kartläggning av nära fält och använder det vi tror är biologiskt realistiska icke-linjära modeller med många variabler, kommer vi att få ett steg närmare vart vi vill gå. Bättre förståelse av hjärnan kommer inte bara att minska behovet av invasiva operationer för att korrigera funktionen, utan kommer också att leda till bättre modeller för vad hjärnan gör bäst: beräkning, minne, nätverk och informationsdistribution.
Om författaren
Salvatore Domenic Morgera, professor i elektroteknik och bioingenjör, Tau Beta Pi Eminent Engineer, University of South Florida
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
Relaterade böcker:
Kroppen håller poängen: Hjärnans själ och kropp i läkningen av trauma
av Bessel van der Kolk
Den här boken utforskar sambanden mellan trauma och fysisk och mental hälsa, och erbjuder insikter och strategier för läkning och återhämtning.
Klicka för mer info eller för att beställa
Breath: The New Science of a Lost Art
av James Nestor
Den här boken utforskar vetenskapen och praktiken av andning, och erbjuder insikter och tekniker för att förbättra fysisk och mental hälsa.
Klicka för mer info eller för att beställa
Växtparadoxen: de dolda farorna i "hälsosam" mat som orsakar sjukdomar och viktökning
av Steven R. Gundry
Den här boken utforskar kopplingarna mellan kost, hälsa och sjukdomar, och erbjuder insikter och strategier för att förbättra övergripande hälsa och välbefinnande.
Klicka för mer info eller för att beställa
Immunitetskoden: Det nya paradigmet för verklig hälsa och radikal anti-aging
av Joel Greene
Den här boken erbjuder ett nytt perspektiv på hälsa och immunitet, som bygger på principer för epigenetik och erbjuder insikter och strategier för att optimera hälsa och åldrande.
Klicka för mer info eller för att beställa
Den kompletta guiden till fasta: läka din kropp genom intermittent, varannan dag och förlängd fasta
av Dr Jason Fung och Jimmy Moore
Den här boken utforskar vetenskapen och praktiken av fasta och erbjuder insikter och strategier för att förbättra övergripande hälsa och välbefinnande.
