Come fanno i cervelli a sintonizzarsi su un segnale neuronale da miliardi?

Come fanno i cervelli a sintonizzarsi su un segnale neuronale da miliardi?
Il tuo cervello sta conducendo più orchestre di informazioni allo stesso tempo. Audio illuminato, CC BY

Il cervello umano invia centinaia di miliardi di segnali neurali ogni secondo. È un'impresa straordinariamente complessa.

Un cervello sano deve stabilire un numero enorme di connessioni corrette e assicurarsi che rimangano accurate per l'intero periodo del trasferimento di informazioni, il che può richiedere alcuni secondi, che in "tempo del cervello" è piuttosto lungo.

Come arriva ciascun segnale alla destinazione prevista?

La sfida per il tuo cervello è simile a quella che devi affrontare quando cerchi di intrattenere una conversazione durante un rumoroso cocktail party. Sei in grado di concentrarti sulla persona con cui stai parlando e di "silenziare" le altre discussioni. Questo fenomeno è l'udito selettivo - quello che viene chiamato il effetto cocktail party.

Quando tutti in una grande festa affollata parlano all'incirca allo stesso volume, il livello sonoro medio della persona con cui stai parlando è circa uguale al livello medio di tutte le chiacchiere di tutti gli altri partecipanti. Se fosse un sistema TV satellitare, questo equilibrio approssimativamente uguale del segnale desiderato e del rumore di fondo comporterebbe una scarsa ricezione. Tuttavia, questo equilibrio è abbastanza buono da farti capire la conversazione durante una vivace festa.

Come lo fa il cervello umano, distinguendo tra miliardi di "conversazioni" in corso all'interno di se stesso e aggrappandosi a un segnale specifico per la consegna?

La ricerca del mio team nelle reti neurologiche del cervello mostra che ci sono due attività che supportano la sua capacità di stabilire connessioni affidabili in presenza di un significativo rumore di fondo biologico. Sebbene i meccanismi del cervello siano piuttosto complessi, queste due attività agiscono come ciò che un ingegnere elettrico chiama a filtro abbinato - un elemento di elaborazione utilizzato nei sistemi radio ad alte prestazioni e ora noto per esistere in natura.


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I neuroni cantano in armonia

Prendiamoci un momento per concentrarci solo su una delle centinaia di miliardi di fibre nervose nel cervello umano, di cui molte sono in genere attive in un dato momento. Stanno tutti facendo la loro parte per eseguire processi di pensiero che consentono agli esseri umani di funzionare con successo e interagire in modo significativo tra loro - supportando abilità come orientamento, attenzione, memoria, risoluzione dei problemi e funzione esecutiva.

Il mio team di ricerca ha sviluppato un modello che traduce l'attività cerebrale biologica nella gamma udibile umana, quindi noi può sentire il cervello al lavoro. Ecco come suona una singola fibra nervosa che trasmette il suo segnale in un ambiente ideale e privo di rumore:

L'attività di una singola fibra nervosa si traduce nella gamma udibile umana. Autore fornito (nessun riutilizzo)119 KB (Download)

Quando questa fibra nervosa scelta trasmette un segnale alla sua destinazione target in altre parti del cervello, si trova in contrasto con il rumore di fondo causato dall'attività di tutte le altre fibre attive. Ecco il suono di quella stessa fibra ora immersa nel cocktail party del cervello:

L'attività di una singola fibra nervosa, sullo sfondo di tutto ciò che accade nel cervello. Autore fornito (nessun riutilizzo)119 KB (Download)

Il rumore di fondo nel cervello stimola una piccola popolazione di altre fibre nervose attorno alla nostra fibra nervosa scelta sincronizzare e trasmette approssimativamente lo stesso messaggio. Questa sincronizzazione riduce l'effetto del rumore e migliora la chiarezza del segnale.

Fa il lavoro, ma non è perfetto. È simile a molte voci che cantano in armonia. Ogni voce proietta il suono alle sue frequenze uniche in ogni momento, con la somma totale della moltitudine di voci che estende la gamma di frequenza di ogni singola voce. Pensa a un coro che riempie una sala da musica con la sua canzone, al contrario di un solista che canta solo una parte. Questa strategia arricchisce il contenuto di frequenza, aumenta il livello del segnale trasmesso e aumenta la qualità della ricezione.

Gli scienziati descrivono questo fenomeno come l'emergere di una relazione, o accoppiamento, tra sottosistemi fisicamente separati di fibre nervose. Crea un sistema più ampio e dinamico. L'idea non è così diversa dal mistero di 350, finalmente risolto, di come orologi a pendolo montato sulla stessa parete si sincronizzano attraverso piccole forze fisiche esercitate sulla trave portante.

I miei colleghi e io crediamo che questa stessa capacità di "sincronizzazione" potrebbe portare alla scoperta di trattamenti terapeutici non invasivi per disturbi neurologici come sclerosi multipla. Ciò potrebbe essere realizzato utilizzando un dispositivo neuromodulatore non invasivo sulla superficie del cuoio capelluto per fornire forze di campo elettrico personalizzate non fisiche alla regione del cervello affetto dalla malattia. Modificando in modo non invasivo i segnali cerebrali del paziente, queste forze di campo elettrico creerebbero un ambiente di rete neurologica più sano per il trasferimento di informazioni.

Come fanno i cervelli a sintonizzarsi su un segnale neuronale da miliardi?
Come i tamburi di una band, le onde cerebrali aiutano a "mantenere il ritmo".
Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Cervelli che rotolano i tamburi

Il secondo modo in cui i cervelli tagliano il disordine del segnale è ciò che i neuroscienziati chiamano la chiave del parto. È il ruolo svolto da ritmi naturali del cervello, popolarmente noto come onde cerebrali.

Questi ritmi cerebrali sono creati da cellule nervose che si accendono secondo schemi specifici, causando onde di attività elettrica a determinate frequenze molto basse, che vanno da circa 0.5 a 140 cicli al secondo. In confronto, gli smartphone funzionano a circa 5,000,000,000 cicli al secondo. Le onde che aiutano a inviare un segnale a una destinazione nell'ambiente rumoroso del cervello sembrano essere onde Alpha, cicli da 8 a 13 al secondo, o onde Beta, da 13 a 32 cicli al secondo.

Nel mio laboratorio, ci riferiamo a questa seconda attività come a "suonare la batteria". La frequenza delle onde cerebrali è simile a quella del sub-basso o del basso utilizzato per segnare o tenere il tempo in orchestra militare, rock, pop, jazz e tradizionale musica.

Questi ritmi a bassa frequenza fungono da chiave di consegna che viene impressa sul segnale trasmesso come frequenza aggiuntiva. È un po 'come segnali GPS sincronizzare le reti di telecomunicazione. Supponiamo che il segnale di onde cerebrali o la chiave di erogazione siano cicli 10 al secondo. La durata di un ciclo è di un decimo di secondo, quindi la chiave di consegna fornisce un indicatore del tempo nel punto di ricezione ogni decimo di secondo.

Questo marcatore temporale è estremamente utile per la ricezione accurata del segnale trasmesso. Fondamentalmente, questa chiave di consegna apre o attiva solo il blocco nel punto di ricezione previsto. L'idea non è così diversa dall'uso di una password per accedere a contenuti specifici.

I neuroscienziati ritengono che sia stata utilizzata la scelta della chiave di consegna dipende dallo stato dell'individuo. Ad esempio, le onde alfa sono associate al riposo sveglio con gli occhi chiusi. Le onde beta sono associate alla normale consapevolezza e concentrazione della veglia.

Gli scienziati suppongono che quello associato a ciascuna chiave di consegna, o ritmo cerebrale, sia un elenco di funzioni cognitive coerenti con lo stato dell'individuo. Quindi, ad esempio, un segnale inviato con un ciclo 10 al secondo, il ritmo cerebrale dell'onda alfa impresso su di esso ha già informazioni codificate in esso sul riposo sveglio.

Le onde cerebrali di attività elettrica erano identificato quasi 100 anni fae i ricercatori apprendono costantemente di più su di loro e sul loro ruolo nel comportamento e nelle funzioni cerebrali.

Come fanno i cervelli a sintonizzarsi su un segnale neuronale da miliardi?
Per migliorare i sistemi di telecomunicazione, i ricercatori possono imparare da come funziona il cervello.
Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modellazione di sistemi costruiti sul cervello

La ricerca del mio laboratorio sulle reti neurologiche ha implicazioni non solo per la comprensione del cervello umano e lo sviluppo di procedure diagnostiche non invasive e trattamenti terapeutici per una varietà di disfunzioni neurologiche, ma anche per la progettazione di sistemi migliorati per telecomunicazioni, networking, sicurezza informatica, intelligenza artificiale e robotica.

Ad esempio, il cervello umano dimostra quanto potrebbero essere più avanzati i sistemi di rete di telecomunicazione. Reti cellulari 5G spero di servire circa 1 milioni di dispositivi in ​​un miglio quadrato. Al contrario, il cervello umano può stabilire rapidamente almeno 1 milioni di connessioni all'interno di un pollice cubo di tessuto cerebrale.

Le progettazioni dei sistemi di reti di telecomunicazioni odierne sono vincolate perché si basano essenzialmente sui principi di una disciplina: ingegneria elettrica e informatica. Anche i circuiti più semplici del cervello, le fibre nervose, che sono come i collegamenti in una rete di telecomunicazioni, operano in modi estremamente complessi secondo i principi combinati di biologia, ingegneria chimica, ingegneria meccanica e ingegneria elettrica e informatica.

Progettare sistemi simili per capacità al cervello umano richiederà l'approccio molto più multidisciplinare che si riflette nel mio gruppo di ricerca - un team attinto da esperti di medicina, scienze della vita, ingegneria e materiali avanzati - e ricerca partner.

Circa l'autore

Salvatore Domenic Morgera, professore di ingegneria elettrica e bioingegneria, University of South Florida

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

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