چگونه مغزها به یک سیگنال عصبی از میلیاردها می شوند؟

چگونه مغزها به یک سیگنال عصبی از میلیاردها می شوند؟ مغز شما همزمان ارکسترهای مختلفی از اطلاعات را انجام می دهد. روشنگری صوتی, CC BY

مغز انسان می فرستد صدها میلیارد سیگنال عصبی هر ثانیه این یک شاهکار فوق العاده پیچیده است.

یک مغز سالم باید تعداد زیادی از اتصالات صحیح برقرار کند و اطمینان حاصل کند که آنها برای کل دوره انتقال اطلاعات دقیق باقی می مانند - که می تواند ثانیه ها طول بکشد ، که در "زمان مغز" بسیار طولانی است.

چگونه هر سیگنال به مقصد مورد نظر خود می رسد؟

چالش برای مغز شما همان چیزی است که هنگام تلاش برای مکالمه در یک مهمانی کوکتل پر سروصدا با آن روبرو هستید. شما می توانید روی شخصی که با او صحبت می کنید تمرکز کنید و سایر بحث ها را "نادیده بگیرید". این پدیده شنوایی انتخابی است - آنچه به آن گفته می شود اثر مهمانی کوکتل.

وقتی هرکسی در یک مهمانی بزرگ و شلوغ تقریباً با همان بلندی صحبت می کند ، سطح صدای متوسط ​​شخصی که با او صحبت می کنید تقریباً برابر است با سطح متوسط ​​تمام پچ پچ های طرف مقابل. اگر این یک سیستم تلویزیون ماهواره ای بود ، این تعادل تقریبا مساوی سیگنال مورد نظر و سر و صدای پس زمینه منجر به ضعیف می شود. با این وجود ، این تعادل به اندازه کافی خوب است که به شما امکان می دهد مکالمه را در یک مهمانی شلوغ درک کنید.

چگونه مغز انسان این کار را انجام می دهد ، بین میلیارد ها مکالمه "مداوم" که در درون خود است و به یک سیگنال خاص برای زایمان متمایز است؟

تحقیق تیم من در شبکه های عصبی مغز نشان می دهد که دو فعالیت وجود دارد که از توانایی آن در برقراری اتصالات قابل اعتماد در حضور نویز قابل توجه در زمینه بیولوژیکی پشتیبانی می کند. اگرچه مکانیسم های مغز کاملاً پیچیده هستند ، اما این دو فعالیت همانگونه که یک مهندس برق نامیده می شود عمل می کنند فیلتر همسان - یک عنصر پردازش مورد استفاده در سیستم های رادیویی با کارایی بالا ، و در حال حاضر در طبیعت شناخته شده است.


آخرین مطالب را از InnerSelf دریافت کنید


نورون ها با هماهنگی آواز می خوانند

بیایید لحظه ای تنها به یکی از صدها میلیارد فیبر عصبی در مغز انسان بپردازیم ، که بسیاری از آنها به طور معمول در هر زمان معین فعال هستند. همه آنها وظیفه خود را برای انجام فرایندهای فکری انجام می دهند که به انسان امکان می دهد با موفقیت و به طور معناداری با یکدیگر ارتباط برقرار کند - توانایی های پشتیبانی کننده از قبیل جهت گیری ، توجه ، حافظه ، حل مسئله و عملکرد اجرایی.

تیم تحقیقاتی من الگویی را تدوین کرده است که فعالیت بیولوژیکی مغز را به محدوده شنیداری انسان ترجمه می کند ، بنابراین ما می تواند مغز را بشنود در محل کار. این چیزی است که یک فیبر عصبی منتقل شده از سیگنال آن در محیط ایده آل و بدون سر و صدا به نظر می رسد:

فعالیت یک فیبر عصبی منفرد در محدوده شنیداری انسان ترجمه شده است. نویسنده ارائه شده است (بدون استفاده مجدد)119 KB (دانلود)

هنگامی که این فیبر عصبی انتخاب شده سیگنالی را به مقصد مورد نظر خود در جای دیگر مغز منتقل می کند ، در برابر سر و صدای پس زمینه ناشی از فعالیت سایر الیاف فعال دیگر مخالف است. در اینجا صدای همان فیبر موجود در مهمانی کوکتل مغز غوطه ور است:

فعالیت فیبر عصبی منفرد ، بر خلاف پیش زمینه همه چیز در مغز اتفاق می افتد. نویسنده ارائه شده است (بدون استفاده مجدد)119 KB (دانلود)

سر و صدای پس زمینه در مغز جمعیت کمی از الیاف عصبی دیگر اطراف فیبر عصبی منتخب ما را تحریک می کند همگام و تقریباً همان پیام را منتقل کنید. این هماهنگی تأثیر نویز را کاهش داده و وضوح سیگنال را بهبود می بخشد.

این کار را انجام می دهد ، اما کامل نیست. این شبیه به بسیاری از صداهایی است که به صورت هماهنگ آواز می خوانند. هر پروژه صوتی در هر لحظه با فرکانس های منحصر به فرد خود صدا می کند ، با مجموع تعداد زیادی از صداها که دامنه فرکانس هر صدای فردی را گسترش می دهد. به یک گروه کر فکر کنید که یک سالن موسیقی را با آهنگش پر کند ، در حالی که مخالف یک خواننده تنها یک قسمت است. این استراتژی محتوای فرکانس را غنی می کند ، سطح سیگنال منتقل شده را بالا می برد و کیفیت دریافت را افزایش می دهد.

دانشمندان این پدیده را ظهور یک رابطه یا اتصال بین زیر سیستم های جدا شده جسمی الیاف عصبی توصیف می کنند. این یک سیستم پویا بزرگتر را ایجاد می کند. این ایده با رمز و رازهای 350 ساله که در نهایت حل شده است ، تفاوت چندانی با این مسئله ندارد ساعتهای آونگ در همان دیوار نصب شده از طریق نیروهای بدنی كوچكی كه بر روی تیر پشتیبان اعمال می شوند ، همزمان می شوند.

من و همکارانم معتقدیم که همین توانایی "همگام سازی" ممکن است منجر به کشف روش های درمانی غیر تهاجمی برای اختلالات عصبی مانند اسکلروز متعدد. این امر می تواند با استفاده از یک دستگاه عصبی غیر تهاجمی غیر تهاجمی در سطح پوست سر انجام شود تا نیروهای میدان الکتریکی سفارشی کوچک و غیر فیزیکی را به ناحیه مغز ارائه دهد. مبتلا به این بیماری است. با تغییر غیرقابل انکار سیگنال های مغز بیمار ، این نیروهای میدان الکتریکی یک محیط شبکه عصبی سالم تر برای انتقال اطلاعات ایجاد می کنند.

چگونه مغزها به یک سیگنال عصبی از میلیاردها می شوند؟ مانند طبل های گروه ، امواج مغزی به "ضرب و شتم" کمک می کنند. جاش سورنسون / Unsplash, CC BY

مغزها که درام را می چرخند

راه دوم که مغزها از طریق درهم و برهمی سیگنال قطع می شوند همان چیزی است که دانشمندان علوم اعصاب از آن به عنوان کلید تحویل استفاده می کنند. این نقشی است که توسط بازی شده است ریتم طبیعی مغز، معروف به عنوان امواج مغزی.

این ریتمهای مغزی توسط سلولهای عصبی ایجاد می شوند که در الگوی خاص آتش می گیرند و باعث ایجاد امواج از فعالیت الکتریکی در فرکانس های بسیار کم خاص می شوند ، از چرخه 0.5 تا 140 در ثانیه. برای مقایسه ، تلفن های هوشمند در حدود سیکل های 5,000,000,000 در ثانیه کار می کنند. امواج که به انتقال سیگنال به مقصد در محیط پر سر و صدای مغز کمک می کنند ، به نظر می رسد که امواج آلفا ، چرخه 8 به 13 در ثانیه یا موج های بتا ، چرخه 13 به 32 در ثانیه باشد.

در آزمایشگاه من ، ما به این فعالیت دوم مانند "چرخاندن طبل ها" اشاره می کنیم. فرکانس امواج مغزی شبیه به طبل زیر باس یا باس است که برای علامت گذاری یا حفظ زمان در ارتش ، راک ، پاپ ، جاز و ارکستر سنتی استفاده می شود. موسیقی

این ریتم های با فرکانس پایین به عنوان یک کلید تحویل عمل می کنند که تحت تأثیر سیگنال منتقل شده به عنوان یک فرکانس اضافی قرار دارد. این نوع است مانند چگونه سیگنال های GPS همگام سازی شبکه های ارتباطی. بگویید که سیگنال موج مغزی یا کلید تحویل چرخه 10 در ثانیه است. مدت زمان یک چرخه یک دهم ثانیه است ، بنابراین کلید تحویل در هر روز یک دهم یک نشانگر زمان را در محل پذیرش می دهد.

این نشانگر زمان در دریافت دقیق سیگنال منتقل شده بسیار مفید است. این کلید تحویل فقط قفل را در محل پذیرش مورد نظر باز یا فعال می کند. این ایده تفاوت چندانی با استفاده از رمز عبور برای دستیابی به محتوای خاص ندارد.

دانشمندان علوم اعصاب بر این باورند که از انتخاب کلید تحویل استفاده شده است بستگی به وضعیت فرد دارد. به عنوان مثال ، امواج آلفا با استراحت بیدار با چشمان بسته همراه است. امواج بتا با هوشیاری و تمرکز طبیعی بیدار همراه هستند.

دانشمندان تصور می کنند که همراه با هر کلید زایمان یا ریتم مغزی لیستی از عملکردهای شناختی است که مطابق با وضعیت فرد است. به عنوان مثال ، سیگنال ارسال شده با چرخه 10 در ثانیه ریتم مغزی موج آلفا که تحت تأثیر قرار گرفته است ، از قبل دارای اطلاعات رمزگذاری شده در مورد استراحت بیدار است.

امواج مغزی فعالیت الکتریکی بودند تقریباً 100 سال پیش شناسایی شده است، و محققان دائماً در مورد آنها و نقش آنها در رفتار و عملکرد مغز بیشتر می آموزند.

چگونه مغزها به یک سیگنال عصبی از میلیاردها می شوند؟ برای بهبود سیستم های ارتباطی ، محققان می توانند از نحوه عملکرد مغز مطلع شوند. ماریو کاروسو / Unsplash, CC BY

مدل سازی سیستم های ساخته شده بر روی مغز

تحقیقات آزمایشگاه من در شبکه های عصبی دارای پیامدهای نه تنها در درک مغز انسان و توسعه روشهای تشخیصی غیر تهاجمی و درمانهای درمانی برای انواع عملکردهای عصبی بلکه همچنین برای طراحی سیستمهای بهبود یافته برای ارتباطات از راه دور ، شبکه سازی ، امنیت سایبری ، هوش مصنوعی و روباتیک است.

به عنوان مثال ، مغز انسان نشان می دهد که طراحی سیستم های شبکه ارتباطی پیشرفته چقدر می تواند باشد. شبکه های سلولی 5G امیدوارم در حدود یک میلیون مایل مربع حدود 1 دستگاه را ارائه دهیم. در مقابل ، مغز انسان می تواند به سرعت حداقل حداقل 1 میلیون اتصالی را در یک برقرار کند اینچ مکعب از بافت مغز.

امروزه طرح های شبکه ارتباطات از راه دور محدود می شوند زیرا اساساً از اصول یک رشته - مهندسی برق و کامپیوتر - استخراج می شوند. حتی ساده ترین مدارهای مغز ، الیاف عصبی ، که مانند پیوندهای یک شبکه ارتباطات از راه دور هستند ، طبق اصول ترکیبی زیست شناسی ، مهندسی شیمی ، مهندسی مکانیک و مهندسی برق و رایانه به روش های بسیار پیچیده ای کار می کنند.

طراحی سیستم های مشابه با توانایی مغز انسان ، نیاز به رویکرد چند رشته ای دارد که در گروه تحقیقاتی من منعکس می شود - تیمی که از متخصصان پزشکی ، علوم زندگی ، مهندسی و مواد پیشرفته تهیه شده است - و تحقیق شرکای.

درباره نویسنده

Salvatore Domenic Morgera، استاد مهندسی برق و مهندسی زیستی ، دانشگاه فلوریدای جنوبی

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

کتابها

enafarZH-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

به دنبال InnerSelf در

فیس بوک، آیکونتوییتر آیکونrss-icon

دریافت آخرین با ایمیل

{emailcloak = خاموش}

بیشترین مطلب خوانده شده