Come i cervelli sono più complessi di quanto suggerisce l'anatomia

Come i cervelli sono più complessi di quanto suggerisce l'anatomia Gli scienziati stanno ancora mettendo insieme il puzzle di come funziona il cervello. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images

Come funziona il cervello rimane un enigma con solo pochi pezzi in atto. Di questi, un pezzo grosso è in realtà una congettura: che esiste una relazione tra i struttura fisica del cervello e sua funzionalità.

I lavori del cervello includono interpretazione di input tattili, visivi e sonori, nonché discorso, ragionamento, emozioni, apprendimento, controllo fine del movimento e molti altri. I neuroscienziati presumono che sia l'anatomia del cervello - con le sue centinaia di miliardi di fibre nervose - a rendere possibili tutte queste funzioni. I "fili viventi" del cervello sono collegati in elaborate reti neurologiche che danno origine alle incredibili capacità degli esseri umani.

Sembrerebbe che se gli scienziati sono in grado di mappare le fibre nervose e le loro connessioni e registrare i tempi degli impulsi che fluiscono attraverso di loro per una funzione superiore come la visione, dovrebbero essere in grado di risolvere la questione di come si vede, per esempio. I ricercatori stanno migliorando nel mappare il cervello usando trattografia - una tecnica che rappresenta visivamente i percorsi delle fibre nervose utilizzando la modellazione 3D. E stanno migliorando nel registrare il modo in cui le informazioni si muovono nel cervello usando la risonanza magnetica funzionale migliorata per misurare il flusso sanguigno.

Ma nonostante questi strumenti, nessuno sembra molto più vicino a capire come vediamo davvero. Le neuroscienze hanno solo una comprensione rudimentale di come tutto si combini.

Per colmare questa lacuna, la ricerca in bioingegneria del mio team si concentra sulle relazioni tra struttura e funzione del cervello. L'obiettivo generale è quello di spiegare scientificamente tutte le connessioni - sia anatomiche che wireless - che attivano diverse regioni del cervello durante le attività cognitive. Stiamo lavorando su modelli complessi che catturino meglio ciò che gli scienziati sanno della funzione cerebrale.

In definitiva un quadro più chiaro della struttura e della funzione può mettere a punto i modi in cui la chirurgia cerebrale tenta di correggere la struttura e, al contrario, i farmaci cercano di correggere la funzione.

Come i cervelli sono più complessi di quanto suggerisce l'anatomia Le connessioni elettriche vicino al campo forniscono un altro livello di comunicazione all'interno del cervello. Immagini PM / Stone via Getty Images


Ricevi le ultime novità da InnerSelf


Hot spot wireless nella tua testa

Le funzioni cognitive come il ragionamento e l'apprendimento utilizzano un certo numero di regioni cerebrali distinte in modo sequenziato nel tempo. L'anatomia da sola - i neuroni e le fibre nervose - non possono spiegare l'eccitazione di queste regioni, contemporaneamente o in tandem.

Alcune connessioni sono in realtà "wireless". Questi sono connessioni elettriche vicino al campoe non le connessioni fisiche catturate nei tractografi.

[Competenza nella tua casella di posta. Iscriviti alla newsletter di The Conversation e ricevi le revisioni degli esperti sulle notizie di oggi, ogni giorno.]

Il mio team di ricerca ha lavorato per diversi anni nel dettaglio origini di queste connessioni wireless e misurando le loro intensità di campo. Un'analogia molto semplice di ciò che accade nel cervello è come funziona un router wireless. Internet viene consegnato a un router tramite una connessione cablata. Il router invia quindi le informazioni al laptop tramite connessioni wireless. L'intero sistema di trasferimento delle informazioni funziona grazie alle connessioni sia cablate che wireless.

Come i cervelli sono più complessi di quanto suggerisce l'anatomia I campi elettrici derivano da particelle cariche che fluiscono dentro e fuori dai neuroni nei loro nodi non isolati di Ranvier. ttsz / iStock tramite Getty Images Plus

Nel caso del cervello, le cellule nervose conducono impulsi elettrici lungo lunghe braccia filiformi chiamate assoni dal corpo cellulare ad altri neuroni. Lungo la strada, i segnali wireless vengono naturalmente emessi da porzioni non isolate di cellule nervose. Si chiamano questi punti privi dell'isolamento protettivo che avvolge il resto dell'assone nodi di Ranvier.

I nodi di Ranvier consentono agli ioni carichi di diffondersi dentro e fuori dal neurone, propagando il segnale elettrico lungo l'assone. Mentre gli ioni fluiscono dentro e fuori, vengono generati campi elettrici. L'intensità e la struttura di questi campi dipendono dall'attività della cellula nervosa.

Qui al Centro globale per reti neurologiche ci stiamo concentrando su come questi i segnali wireless funzionano nel cervello per comunicare informazioni.

Il mondo non lineare del cervello

Le indagini su come le regioni cerebrali eccitate si abbinano alle funzioni cognitive commettono un altro errore quando si basano su ipotesi che portano a modelli troppo semplici.

I ricercatori tendono a modellare la relazione come lineare con una singola variabile, misurando la dimensione media della risposta di una singola regione cerebrale. È la logica dietro il progettazione del primo apparecchio acustico - se la voce di una persona aumenta del doppio, l'orecchio dovrebbe rispondere il doppio.

Come i cervelli sono più complessi di quanto suggerisce l'anatomia Gli utenti degli apparecchi acustici sanno che il solo raddoppio dell'input sensoriale è una soluzione rudimentale. AndreyPopov / iStock tramite Getty Images Plus

Ma gli apparecchi acustici sono notevolmente migliorati nel corso degli anni poiché i ricercatori hanno capito meglio che l'orecchio non è un sistema lineare e che è necessaria una forma di compressione non lineare per abbinare i suoni generati alle capacità dell'ascoltatore. In effetti, la maggior parte gli esseri viventi non hanno sistemi di rilevamento che rispondono agli stimoli in modo lineare, uno a uno.

I modelli lineari presuppongono che se si raddoppia l'input di un sistema, anche l'output di quel sistema sarà raddoppiato. Ciò non vale per i modelli non lineari, in cui possono esistere molti valori di output per singolo valore dell'input. E la maggior parte degli scienziati è d'accordo i calcoli neurali sono in realtà non lineari.

Una domanda cruciale nella comprensione del legame tra cervello e comportamento è come il cervello decide il miglior modo di agire tra le alternative concorrenti. Ad esempio, la corteccia frontale del cervello fa scelte ottimali calcolare molte quantità o variabili - calcolare il potenziale profitto, la probabilità di successo e il costo in termini di tempo e fatica. Poiché il sistema non è lineare, il raddoppio del potenziale payoff può prendere una decisione finale molto più del doppio delle probabilità.

Il flusso di informazioni attraverso il cervello è molto più complesso e dinamico di quanto un modello 2D possa rappresentare adeguatamente.

I modelli lineari perdono la ricca varietà di possibilità che possono verificarsi nella funzione cerebrale, specialmente quelle al di là di ciò che la struttura anatomica suggerirebbe. È come la differenza tra una rappresentazione 2D e 3D del mondo che ci circonda.

Gli attuali modelli lineari descrivono semplicemente il livello medio di eccitazione in una regione del cervello o il flusso attraverso una superficie del cervello. Queste sono molte meno informazioni di quelle che io e i miei colleghi utilizziamo quando realizziamo i nostri modelli non lineari partendo sia da una risonanza magnetica funzionale potenziata sia da dati elettrici di bioimaging sul campo vicino. I nostri modelli forniscono un'immagine 3D del flusso di informazioni attraverso le superfici del cervello e nelle profondità al suo interno - e ci avvicinano alla rappresentazione di come funziona tutto.

Come i cervelli sono più complessi di quanto suggerisce l'anatomia Un cervello dall'aspetto sano può avere problemi funzionali. Biblioteca fotografica scientifica tramite Getty Images

Anatomia normale, disfunzione fisiologica

Il mio gruppo di ricerca è incuriosito dal fatto che le persone con strutture cerebrali di aspetto totalmente normale possano avere ancora problemi funzionali importanti.

Come parte della nostra ricerca sulla disfunzione neurologica, visitiamo individui in hospice, gruppi di supporto al lutto, strutture di assistenza riabilitativa, centri di trauma e ospedali per cure acute. Siamo costantemente sorpresi di renderci conto che le persone che hanno perso i propri cari possono farlo presentano sintomi simili a quelli dei pazienti con diagnosi di malattia di Alzheimer.

Il dolore è una serie di risposte emotive, cognitive, funzionali e comportamentali alla morte o ad altri tipi di perdita. Non è uno stato, ma piuttosto un processo che può essere temporaneo o in corso.

Il cervello sano di chi soffre dolore fisiologico non hanno gli stessi problemi anatomici - comprese le regioni del cervello rimpicciolite e le connessioni interrotte tra le reti di neuroni - che si trovano in quelli delle persone con malattia di Alzheimer.

Crediamo che questo sia solo un esempio di come i punti caldi del cervello - quelle connessioni che non sono fisiche - oltre alla ricchezza dell'operazione non lineare del cervello possono portare a risultati che non sarebbero previsti da una scansione del cervello. Probabilmente ci sono molti altri esempi.

Queste idee possono indicare la via per mitigare gravi condizioni neurologiche attraverso mezzi non invasivi. Terapia del lutto e dispositivi elettrici non neurologici di neuromodulazione in campo vicino può ridurre i sintomi associati alla perdita di una persona cara. Forse questi protocolli e procedure dovrebbero essere offerti più ampiamente ai pazienti che soffrono di disfunzione neurologica in cui l'imaging rivela cambiamenti anatomici. Potrebbe salvare alcuni di questi individui da procedure chirurgiche invasive.

Diagrammare tutti i collegamenti non fisici del cervello usando i nostri recenti progressi nella mappatura elettrica del campo vicino e impiegando quelli che crediamo siano modelli non lineari a molte variabili biologicamente realistici, ci porterà un passo avanti verso dove vogliamo andare. Una migliore comprensione del cervello non solo ridurrà la necessità di procedure operative invasive per correggere la funzione, ma porterà anche a modelli migliori per ciò che il cervello fa meglio: calcolo, memoria, rete e distribuzione delle informazioni.The Conversation

Circa l'autore

Salvatore Domenic Morgera, professore di ingegneria elettrica e bioingegneria, ingegnere Tau Beta Pi Eminent, University of South Florida

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.


Libri consigliati: salute

Fresh Fruit CleanseFresh Fruit Cleanse: Detox, Perdere peso e ripristinare la salute con gli alimenti più deliziosi della natura [Brossura] di Leanne Hall.
Perdere peso e sentirsi vibrantemente sani pur liberando il corpo dalle tossine. Fresh Fruit Cleanse offre tutto il necessario per una disintossicazione facile e potente, compresi programmi giornalieri, ricette appetitose e consigli per la transizione dalla pulizia.
Clicca qui per maggiori informazioni e / o per ordinare questo libro su Amazon.

Thrive FoodsThrive Foods: 200 Plant-Based Recipes for Peak Health [Brossura] Brendan Brazier.
Basandosi sulla filosofia nutrizionale di riduzione dello stress e di salute introdotta nella sua acclamata guida nutrizionale vegana Prosperare, il triatleta professionista Ironman Brendan Brazier ora rivolge la sua attenzione al piatto della tua cena (anche la ciotola della colazione e il vassoio del pranzo).
Clicca qui per maggiori informazioni e / o per ordinare questo libro su Amazon.

Death by Medicine di Gary NullDeath by Medicine di Gary Null, Martin Feldman, Debora Rasio e Carolyn Dean
L'ambiente medico è diventato un labirinto di consigli di amministrazione aziendali, ospedalieri e governativi, infiltrati dalle compagnie farmaceutiche. Le sostanze più tossiche vengono spesso approvate per prime, mentre le alternative più miti e naturali vengono ignorate per motivi finanziari. È morte per medicina.
Clicca qui per maggiori informazioni e / o per ordinare questo libro su Amazon.


enafarZH-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

segui InnerSelf su

facebook-icontwitter-iconrss-icon

Ricevi l'ultimo tramite e-mail

{Emailcloak = off}

DAGLI EDITORI

Newsletter InnerSelf: settembre 20, 2020
by Staff di InnerSelf
Il tema della newsletter di questa settimana può essere riassunto come "puoi farlo tu" o più precisamente "possiamo farlo noi!" Questo è un altro modo per dire "tu / noi abbiamo il potere di fare un cambiamento". L'immagine di ...
Cosa funziona per me: "Posso farlo!"
by Marie T. Russell, InnerSelf
Il motivo per cui condivido "ciò che funziona per me" è che potrebbe funzionare anche per te. Se non esattamente nel modo in cui lo faccio io, dal momento che siamo tutti unici, una certa variazione dell'atteggiamento o del metodo potrebbe benissimo essere qualcosa ...
Newsletter InnerSelf: settembre 6, 2020
by Staff di InnerSelf
Vediamo la vita attraverso le lenti della nostra percezione. Stephen R. Covey ha scritto: "Vediamo il mondo, non come è, ma come siamo, o come siamo condizionati a vederlo". Quindi questa settimana diamo un'occhiata ad alcuni ...
Newsletter InnerSelf: agosto 30, 2020
by Staff di InnerSelf
Le strade che stiamo percorrendo in questi giorni sono vecchie come i tempi, ma sono nuove per noi. Le esperienze che stiamo vivendo sono vecchie come i tempi, ma sono anche nuove per noi. Lo stesso vale per il ...
Quando la verità è così terribile da far male, agisci
by Marie T. Russell, InnerSelf.com
In mezzo a tutti gli orrori che si verificano in questi giorni, sono ispirato dai raggi di speranza che brillano. La gente comune si batte per ciò che è giusto (e contro ciò che è sbagliato). Giocatori di baseball, ...