大腦比解剖學建議的要復雜得多

大腦比解剖學建議的要復雜得多 科學家們仍在拼湊大腦如何運作的難題。 千野雄一郎/通過Getty Images的時刻

大腦如何運作仍然是一個難題,只有幾塊就位。 其中,實際上有一個很大的猜想: 大腦的物理結構及其功能.

大腦的工作包括解釋觸摸,視覺和聲音輸入,以及語音,推理,情感,學習,對運動的精細控制等。 神經科學家認為,大腦的解剖結構-千億的神經纖維-使所有這些功能成為可能。 大腦的“生命線”連接在復雜的神經網絡中,從而提高了人類的驚人能力。

看起來,如果科學家能夠繪製出神經纖維及其連接的圖,並記錄流經它們以實現更高功能(例如視覺)的衝動的時間,那麼他們應該能夠解決例如人們的視覺問題。 研究人員越來越擅長使用 體層攝影 –一種使用3D建模直觀地表示神經纖維路徑的技術。 通過使用增強的功能磁共振成像來測量血流,他們在記錄信息如何在大腦中運動方面越來越好。

但是,儘管有了這些工具,似乎沒有人更接近找出 我們如何看待。 神經科學對它們如何相互融合只有基本的了解。

為了解決這個缺點, 我團隊的生物工程研究 專注於大腦結構與功能之間的關係。 總體目標是科學地解釋在認知任務期間激活不同大腦區域的所有連接(無論是解剖還是無線)。 我們正在研究複雜的模型,以更好地捕捉科學家對腦功能的了解。

最終,更清晰的結構和功能圖可以微調腦外科手術試圖糾正結構的方法,相反,藥物可以嘗試糾正功能。

大腦比解剖學建議的要復雜得多 電近場連接提供了大腦內另一種交流方式。 PM圖片/石頭通過Getty Images


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頭腦中的無線熱點

諸如推理和學習之類的認知功能按時間順序使用了許多不同的大腦區域。 單獨的解剖結構-神經元和神經纖維-不能同時或串聯解釋這些區域的興奮。

有些連接實際上是“無線的”。 這些是 電氣近場連接,而不是在測繪儀中捕獲的物理連接。

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我的研究團隊已經工作了幾年,詳細介紹了 這些無線連接的起源 並測量他們的場強。 一個非常簡單的類比就是無線路由器的工作原理。 互聯網通過有線連接傳遞到路由器。 然後,路由器會使用無線連接將信息發送到您的筆記本電腦。 由於有線和無線連接,整個信息傳輸系統都可以正常工作。

大腦比解剖學建議的要復雜得多 電場源自帶電粒子在Ranvier的未絕緣結點處流入和流出神經元的電場。 ttsz / iStock通過Getty Images Plus

在大腦的情況下,神經細胞將電脈衝沿著稱為軸突的長線狀臂從細胞體傳導到其他神經元。 一路上,無線信號自然地從神經細胞的未絕緣部分發出。 這些缺乏包裹軸突其餘部分的保護性絕緣層的斑點稱為 Ranvier的節點.

Ranvier的節點允許帶電離子在神經元中擴散和擴散,從而沿軸突傳播電信號。 隨著離子的流入和流出,會產生電場。 這些場的強度和結構取決於神經細胞的活動。

在這裡 全球神經網絡中心 我們專注於這些 無線信號在大腦中起作用 交流信息。

大腦的非線性世界

當研究興奮的大腦區域與認知功能如何匹配時,當它們依賴導致過於簡單的模型的假設時,就會犯下另一個錯誤。

研究人員傾向於將這種關係​​建模為 單變量線性,測量單個大腦區域響應的平均大小。 這是背後的邏輯 第一款助聽器的設計 –如果一個人的聲音大兩倍,則耳朵的反應應該大兩倍。

大腦比解剖學建議的要復雜得多 助聽器用戶知道,僅將感官輸入加倍是基本的解決方法。 AndreyPopov / iStock通過Getty Images Plus

但是,隨著研究人員逐漸了解耳不是線性系統,助聽器已大大改善,並且需要一種非線性壓縮形式,以使產生的聲音與聽眾的能力相匹配。 實際上,大多數 生物沒有感應系統以線性,一對一的方式對刺激做出反應.

線性模型假設如果系統的輸入增加一倍,則該系統的輸出也將增加一倍。 對於非線性模型,情況並非如此,對於單個輸入值,可以存在許多輸出值。 大多數科學家都認為 神經計算實際上是非線性的.

理解大腦與行為之間的聯繫的一個關鍵問題是大腦如何在競爭性替代方案中決定最佳的行動方案。 例如,大腦的額葉皮層通過 計算許多數量或變量 –根據時間和精力來計算潛在的回報,成功的可能性和成本。 由於系統是非線性的,因此將潛在收益加倍可能會使最終決定的可能性要大兩倍。

通過大腦的信息流比2D模型可以充分代表的複雜得多,並且動態性更高。

線性模型會錯過大腦功能中可能發生的多種可能性,尤其是那些超出解剖結構提示範圍的可能性。 就像我們周圍世界的2D和3D表示形式之間的差異一樣。

當前的線性模型僅描述了大腦區域中的平均激發水平或整個大腦表面的流動。 這比我和我的同事從增強的功能磁共振成像和電近場生物成像數據建立非線性模型時所用的信息少得多。 我們的模型可提供3D圖像,信息流經大腦表面及其內部深度–並使我們更接近地表示其全部工作方式。

大腦比解剖學建議的要復雜得多 健康的大腦可能會出現功能問題。 科學圖片庫通過蓋蒂圖片社

正常解剖,生理功能障礙

我的研究團隊對具有完全正常外觀的大腦結構的人仍然會遇到重大的功能問題深感興趣。

作為我們對神經功能障礙研究的一部分,我們探視了臨終關懷,喪親支持小組,康復護理機構,創傷中心和急救醫院中的個人。 我們始終感到震驚,意識到失去親人的人可以 表現出類似的症狀 那些被診斷患有阿爾茨海默氏病的患者。

悲傷是對死亡或其他損失的一系列情感,認知,功能和行為反應。 這不是狀態,而是可以是臨時的或正在進行的過程。

受苦者的大腦健康 生理上的悲傷 阿爾茨海默氏病患者沒有相同的解剖學問題,包括大腦區域縮小和神經元網絡之間的連接中斷。

我們認為,這只是大腦熱點(非物理連接)以及大腦非線性操作的豐富性如何導致大腦掃描無法預測的結果的一個例子。 可能還有更多示例。

這些想法可能為通過無創手段減輕嚴重神經系統疾病的方法指明了方向。 喪親療法和無創電近場神經調節裝置 可以減輕與失去親人有關的症狀。 也許應該將這些協議和程序更廣泛地提供給患有神經功能障礙的患者,其中影像學確實顯示出解剖學改變。 這可以使其中一些人免於侵入性外科手術。

利用我們近來在電近場製圖方面的最新進展繪製大腦的所有非物理鏈接,並採用我們認為具有生物學現實意義的多變量非線性模型,將使我們更加接近我們的目標。 更好地了解大腦不僅會減少對侵入性手術程序進行功能校正的需要,而且還將為大腦最擅長的領域提供更好的模型:計算,內存,網絡和信息分配。談話

關於作者

Salvatore Domenic Morgera,Tau Beta Pi傑出工程師,電氣工程與生物工程學教授, 南佛羅里達大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.


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