Beyniniz aynı anda birden fazla bilgi orkestrası yürütüyor. Vurgulanan Ses, CC BY

İnsan beyni gönderir yüzlerce milyar sinir sinyali her saniye. Olağanüstü derecede karmaşık bir başarı.

Sağlıklı bir beyin, çok sayıda doğru bağlantı kurmalı ve bilgi aktarımı boyunca tümüyle doğru kaldıklarından emin olmalıdır - bu, “beyin zamanının” oldukça uzun olduğu saniyeler sürebilir.

Her sinyal amaçlanan hedefine nasıl ulaşır?

Beyniniz için zorluk, gürültülü bir kokteyl partisinde sohbete katılmaya çalışırken karşılaştığınız şeye benziyor. Konuştuğunuz kişiye odaklanabiliyor ve diğer tartışmaları “kapatabiliyorsunuz”. Bu fenomen seçici duymadır - buna ne denir kokteyl partisi etkisi.

Kalabalık bir partideki herkes kabaca aynı yüksek sesle konuşsa, konuştuğunuz kişinin ortalama ses seviyesi diğer tüm konuşmacıların konuşmacılarının ortalama seviyesine eşittir. Eğer bir uydu TV sistemi olsaydı, bu istenen eşit sinyal ve arka plan gürültüsünün kabaca eşit dengesi zayıf alım ile sonuçlanacaktı. Bununla birlikte, bu denge kalabalık bir partide sohbeti anlamanıza izin verecek kadar iyidir.

İnsan beyni, kendi içindeki milyarlarca devam eden “konuşmaları” birbirinden ayıran ve teslimat için belirli bir sinyale kilitleyen bunu nasıl yapıyor?

Ekibimin araştırması beynin nörolojik ağları içine önemli biyolojik arka plan gürültüsü varlığında güvenilir bağlantılar kurma yeteneğini destekleyen iki etkinlik olduğunu göstermektedir. Beynin mekanizmaları oldukça karmaşık olsa da, bu iki aktivite bir elektrik mühendisinin ne dediği gibi hareket eder. eşleşen filtre - Yüksek performanslı radyo sistemlerinde kullanılan ve şimdi doğada olduğu bilinen bir işleme elemanı.

Ahenk içinde şarkı söyleyen nöronlar

İnsan beynindeki, milyarlarca sinir lifinden yalnızca birine odaklanmak için biraz zaman ayıralım. Oryantasyon, dikkat, bellek, problem çözme ve yürütme işlevi gibi yetenekleri destekleyen, insanların başarılı bir şekilde işlev görmesini ve birbirleriyle anlamlı bir şekilde etkileşimde bulunmasını sağlayan düşünce süreçlerini yürütmek için bütün görevlerini yapıyorlar.

Araştırma ekibim biyolojik beyin aktivitesini insanın duyulabilir aralığına çeviren bir model geliştirdi. beyni duyabilir işte. İşte sinyalini ileten tek bir sinir lifi, ideal ve gürültüsüz bir ortamda ses çıkarır:

Bu seçilen sinir lifi, beyindeki başka bir yerdeki hedef hedefine bir sinyal ilettiğinde, diğer tüm aktif liflerin aktivitesinin neden olduğu arkaplan gürültüsüne karşıdır. İşte beynin kokteyl partisine dalmış aynı elyafın sesi:

Beyindeki arka plan gürültüsü, seçtiğimiz sinir lifi etrafındaki küçük bir sinir lifleri popülasyonunu uyarır. senkronize etmek ve kabaca aynı mesajı iletir. Bu senkronizasyon gürültünün etkisini azaltır ve sinyalin netliğini arttırır.

İşi yapıyor, ama mükemmel değil. Uyum içinde şarkı söyleyen birçok sese benzer. Her ses, her bir anda, her bir sesin frekans aralığını genişleten seslerin toplamının toplamıyla birlikte, her andaki benzersiz frekanslarda sesi yansıtır. Sadece bir kısmı solist söylerken, şarkısıyla bir müzik salonunu dolduran bir koro düşünün. Bu strateji frekans içeriğini zenginleştirir, iletilen sinyalin seviyesini yükseltir ve alım kalitesini yükseltir.

Bilim adamları bu fenomeni, fiziksel olarak ayrılmış sinir liflerinin alt sistemleri arasında bir ilişki ya da eşleşmenin ortaya çıkışı olarak tanımlamaktadır. Daha büyük, dinamik bir sistem yaratır. Bu fikir 350 yaşındaki gizemden nihayet farklı bir şey değildi. sarkaçlı saatler aynı duvara monte edilen destek kirişine uygulanan küçük fiziksel kuvvetler aracılığıyla senkronize edilir.

Meslektaşlarım ve ben bu “senkronizasyon” yeteneğinin, örneğin nörolojik bozukluklar için invazif olmayan terapötik tedavilerin keşfedilmesine yol açabileceğine inanıyoruz. çoklu skleroz. Bu, beyin bölgesine küçük, fiziksel olmayan özel elektrik alan kuvvetleri sağlamak için kafa derisinin yüzeyindeki invaziv olmayan bir nöromodülatör cihazı kullanılarak gerçekleştirilebilir. hastalıktan etkilenen. Hastanın beyin sinyallerini invaziv olmayan bir şekilde değiştirerek, bu elektrik alan kuvvetleri bilgi aktarımı için daha sağlıklı bir nörolojik ağ ortamı yaratacaktır.

Bir gruptaki davullar gibi, beyin dalgaları 'ritmi tutmaya' yardımcı olur. Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Davulları yuvarlayan beyinler

Beyin sinyal dağınıklığından geçen ikinci yol, sinirbilimcilerin dağıtım anahtarı olarak adlandırdığı şeydir. Bu rol oynadığı rol beynin doğal ritimleri, popüler olarak beyin dalgaları olarak da bilinir.

Bu beyin ritimleri, belirli şekillerde ateşleyen, bazı çok düşük frekanslarda elektriksel aktivite dalgalarına neden olan ve saniyede yaklaşık 0.5 ila 140 çevrimleri arasında değişen sinir hücreleri tarafından oluşturulur. Karşılaştırma yapıldığında, akıllı telefonlar saniyede yaklaşık 5,000,000,000 döngüde çalışmaktadır. Beynin gürültülü ortamındaki bir hedefe sinyal iletmeye yardımcı olan dalgalar, ya Alfa dalgaları, saniyede 8 - 13 devri ya da saniyede Beta dalgaları, 13 - 32 devri gibi görünüyor.

Laboratuvarımda, bu ikinci etkinliği “davulları yuvarlamak” gibi adlandırıyoruz. Beyin dalgası frekansı, askeri, rock, pop, caz ve geleneksel orkestrada zamanı işaretlemek veya tutmak için kullanılan sub-bas veya bas davuluna benzer. müzik.

Bu düşük frekanslı ritimler, iletilen sinyal üzerinde ek bir frekans olarak etkilenen bir dağıtım anahtarı olarak işlev görür. Nasıl bir şey GPS sinyalleri telekomünikasyon ağlarını senkronize et. Brainwave sinyalinin veya dağıtım anahtarının saniyede 10 çevrimi olduğunu söyleyin. Bir döngünün zaman süresi saniyenin onda biri kadardır, bu nedenle dağıtım anahtarı bir saniyenin onda birine kadar alım noktasında bir zaman göstergesi verir.

Bu zaman işaretçisi, iletilen sinyalin doğru alınmasında son derece yararlıdır. Önemli bir şekilde, bu teslim anahtarı yalnızca istenen kabul noktasındaki kilidi açar veya etkinleştirir. Bu fikir belirli bir içeriğe erişmek için şifre kullanımından çok farklı değildir.

Sinirbilimciler, kullanılan teslim anahtarının seçimine inanıyor bireyin durumuna bağlıdır. Örneğin, Alfa dalgaları, gözleri kapalıyken uyanık dinlenme ile ilişkilidir. Beta dalgalar normal uyanık bilinç ve konsantrasyon ile ilişkilidir.

Bilim adamları, her teslimat anahtarıyla ya da beyin ritmiyle ilişkili olarak, bireyin durumuna uygun bilişsel işlevlerin bir listesi olduğunu varsayalım. Dolayısıyla, örneğin, üzerinde etkilenen saniyede bir Alfa dalgası beyin ritmi başına 10 döngüsüyle gönderilen bir sinyal, üzerinde uyanık dinlenme hakkında kodlanmış bilgiye sahiptir.

Elektriksel faaliyetin beyin dalgaları Neredeyse 100 yıl önce tanımlandıve araştırmacılar sürekli olarak onlar ve davranış ve beyin işlevindeki rolleri hakkında daha fazla şey öğreniyorlar.

Telekomünikasyon sistemlerini iyileştirmek için araştırmacılar beynin nasıl çalıştığını öğrenebilirler. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Beyindeki yerleşik sistemlerin modellenmesi

Laboratuvarımın nörolojik ağlar konusundaki araştırması, sadece insan beynini anlamak ve çeşitli nörolojik işlev bozuklukları için invazif olmayan tanı prosedürleri ve terapötik tedaviler geliştirmek, aynı zamanda telekomünikasyon, ağ, siber güvenlik, yapay zeka ve robotik için gelişmiş sistemler tasarlamak için çıkarımlar içeriyor.

Örneğin, insan beyni, telekomünikasyon ağ sistemi tasarımlarının ne kadar daha gelişmiş olabileceğini göstermektedir. 5G hücresel ağlar mil karede yaklaşık 1 milyon cihaza hizmet etmeyi umuyoruz. Buna karşılık, insan beyni hızla bir içinde en az 1 milyon bağlantı kurabilir beyin dokusunun kübik inç.

Günümüzün telekomünikasyon ağ sistemi tasarımları kısıtlıdır çünkü temel olarak bir disiplinin ilkelerinden - elektrik ve bilgisayar mühendisliği prensiplerinden yararlanmaktadırlar. Beynin en basit devreleri bile, bir telekomünikasyon ağındaki bağlantılara benzeyen sinir lifleri, birleşik biyoloji, kimya mühendisliği, makine mühendisliği ve elektrik ve bilgisayar mühendisliği ilkelerine göre aşırı derecede karmaşık şekillerde çalışır.

İnsan beynine benzer sistemler tasarlamak, araştırma grubumda yansıyan çok daha fazla disiplinli bir yaklaşımı gerektirecek - tıp, yaşam bilimleri, mühendislik ve ileri materyallerden uzmanlardan oluşan bir ekip - ve araştırma ortaklar.

Yazar Hakkında

Salvatore Domenic Morgera, Elektrik Mühendisliği ve Biyomühendislik Profesörü, Güney Florida Üniversitesi

Bu makale şu adresten yeniden yayınlandı: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak Orijinal makale.

books_science