大腦如何調和數十億個神經信號?

大腦如何調和數十億個神經信號?
您的大腦正在同時指揮多個信息樂團。 開明的音頻, CC BY

人腦發送 數千億個神經信號 每秒。 這是一個非常複雜的壯舉。

一個健康的大腦必須建立大量正確的連接,並確保它們在信息傳輸的整個過程中保持準確–可能需要幾秒鐘,這在“大腦時間”中非常長。

每個信號如何到達其預期的目的地?

大腦的挑戰與您在嘈雜的雞尾酒會上進行交談時所面臨的挑戰相似。 您可以專注於與您交談的人,並“靜音”其他討論。 這種現像是選擇性聽力-所謂的 雞尾酒會效果.

當一個擁擠的聚會中的每個人都以大致相同的響度講話時,與您交談的人的平均聲音水平大約等於所有其他參加聚會的人的平均聲音水平。 如果是衛星電視系統,則所需信號和背景噪聲的這種大致相等的平衡將導致接收效果差。 但是,這種平衡足以讓您了解在繁華的聚會上的交談。

人腦如何做到這一點,在其內部數十億進行中的“對話”之間進行區分,並鎖定特定的傳遞信號?

我的團隊的研究 進入大腦神經網絡後,發現存在兩種活動,可在存在明顯生物學背景噪音的情況下支持其建立可靠連接的能力。 儘管大腦的機制非常複雜,但這兩種活動就像電氣工程師所說的那樣。 匹配過濾器 -在高性能無線電系統中使用的處理元件,現在已知其已經存在於自然界中。


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神經元和諧地唱歌

讓我們花一點時間專注於人腦中數千億個神經纖維之一,其中許多通常在任何給定的時間點都處於活動狀態。 他們都在儘自己的一份力量來執行使人類能夠成功運作並彼此有意義地互動的思維過程-支持能力,例如定向,注意力,記憶,解決問題和執行功能。

我的研究小組開發了一個模型,可以將生物的大腦活動轉化為人類可聽見的範圍,因此我們 可以聽到大腦 工作中。 在理想的無噪聲環境中,這是一條傳遞信號的神經纖維的聲音:

單根神經纖維的活動轉化為人類可聽見的範圍。 提供作者(不可重複使用)119 KB (下載)

當這種選擇的神經纖維將信號傳送到大腦其他地方的目標位置時,它就會與所有其他活性纖維的活動所引起的背景噪聲發生衝突。 這是現在浸入大腦雞尾酒會的同一根光纖的聲音:

在大腦其他所有事物的背景下,單個神經纖維的活動。 提供作者(不可重複使用)119 KB (下載)

大腦中的背景噪聲會刺激我們選擇的神經纖維周圍的一小撮其他神經纖維 同步 並傳送大致相同的訊息 這種同步減少了噪聲的影響並提高了信號的清晰度。

它可以完成工作,但並不完美。 這類似於許多聲音和諧地唱歌。 每個聲音在每個時刻以其獨特的頻率投射聲音,大量聲音的總和擴展了每個聲音的頻率範圍。 想像一下,一個合唱團將音樂廳的歌聲填滿了,而獨奏者只演唱了一部分。 這種策略豐富了頻率內容,提高了發射信號的電平,並提高了接收質量。

科學家將這種現象描述為在物理上分離的神經纖維子系統之間的關係或耦合的出現。 它創建了一個更大的動態系統。 這個想法與350歲的謎團沒有什麼不同,這個謎團終於解決了, 擺鐘 安裝在同一壁上的支架通過施加在支撐樑上的較小的物理力進行同步。

我和我的同事相信,這種“同步”的能力可能會導致發現針對神經系統疾病(例如 多發性硬化症。 這可以通過在頭皮表面使用非侵入性神經調節器設備向大腦區域提供小的非物理自定義電場力來實現 受疾病影響。 通過非侵入性地改變患者的大腦信號,這些電場力將為信息傳遞創造更健康的神經網絡環境。

大腦如何調和數十億個神經信號?
就像樂隊中的鼓一樣,腦電波有助於“保持節奏”。
喬希·索倫森/ Unsplash, CC BY

大腦打鼓

大腦消除信號混亂的第二種方式是神經科學家稱之為傳遞密鑰。 這是由 大腦的自然節律,俗稱腦電波。

這些腦節律是由神經細胞以特定的模式激發而產生的,它們以某些非常低的頻率(每秒約0.5至140個週期)產生電活動波。 相比之下,智能手機的運行速度約為每秒5,000,000,000個週期。 有助於將信號傳遞到大腦嘈雜環境中的目標的波似乎是Alpha波(每秒8至13週期)或Beta波(每秒13至32週期)。

在我的實驗室中,我們將第二個活動稱為“滾動鼓”。腦波頻率類似於用來標記或保留軍事,搖滾,流行,爵士和傳統樂團時間的低音提琴或低音鼓。音樂。

這些低頻節律充當傳遞鍵,該傳遞鍵作為附加頻率加在傳輸的信號上。 有點像 GPS信號 同步電信網絡。 假設腦電波信號或傳遞關鍵是每秒10個週期。 一個週期的持續時間為十分之一秒,因此傳送密鑰每十分之一秒在接收點給出一個時間標記。

該時間標記對於準確接收發射信號非常有幫助。 至關重要的是,此交付密鑰僅在預期的接收點打開或激活鎖。 這個想法與使用密碼獲得對特定內容的訪問沒有太大不同。

神經科學家認為,使用交付密鑰的選擇 取決於個人的狀態。 例如,阿爾法波與閉著眼睛的清醒休息有關。 Beta波與正常的清醒意識和注意力有關。

科學家認為與每個傳遞鍵或腦節律有關的是與個人狀態相一致的一系列認知功能。 因此,例如,以每秒10週期的速度發送的信號在其上留下深刻的Alpha波腦節律時,已經在其中編碼了有關喚醒休息的信息。

電活動的腦波是 在100年前就已確定,研究人員正在不斷地了解它們,以及它們在行為和大腦功能中的作用。

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為了改善電信系統,研究人員可以從大腦如何工作中學習。
馬里奧·卡魯索/ Unsplash, CC BY

在大腦上對構建的系統進行建模

我的實驗室對神經網絡的研究不僅對理解人腦並開發針對各種神經功能障礙的無創診斷程序和治療方法具有重要意義,而且對設計用於電信,網絡,網絡安全,人工智能和機器人技術的改進系統也具有重要意義。

例如,人腦演示了更先進的電信網絡系統設計可能是多少。 5G蜂窩網絡 希望能在平方英里內為大約1百萬台設備提供服務。 相比之下,人腦可以在一個內部快速建立至少1百萬個連接 立方英寸的腦組織.

當今的電信網絡系統設計受到限制,因為它們本質上是從一種學科的原理(電氣和計算機工程)中汲取的。 根據生物學,化學工程,機械工程以及電氣和計算機工程的綜合原理,即使是大腦中最簡單的電路,神經纖維也像電信網絡中的鏈路一樣,以極其複雜的方式運行。

設計功能與人腦相似的系統將需要我研究小組(由醫學,生命科學,工程學和先進材料的專家組成的團隊)反映出的多學科方法。 研究 夥伴.

關於作者

Salvatore Domenic Morgera,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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