大脑比解剖学建议的复杂程度如何

大脑比解剖学建议的复杂程度如何 科学家们仍在拼凑大脑如何运作的难题。 千野雄一郎/通过Getty Images的时刻

大脑如何运作仍然是一个难题,只有几块就位。 其中,实际上有一个很大的猜想: 大脑的物理结构及其功能.

大脑的工作包括解释触摸,视觉和声音输入,以及语音,推理,情感,学习,对运动的精细控制等。 神经科学家认为,大脑的解剖结构-千亿的神经纤维-使所有这些功能成为可能。 大脑的“生命线”连接在复杂的神经网络中,从而提高了人类的惊人能力。

看来,如果科学家能够绘制神经纤维及其连接的图,并记录流过它们以实现更高功能(例如视觉)的冲动的时间,那么他们应该能够解决例如人眼如何看待的问题。 研究人员越来越擅长使用 体层摄影 –一种使用3D建模直观地表示神经纤维路径的技术。 通过使用增强的功能磁共振成像来测量血流,他们在记录信息如何在大脑中运动方面越来越好。

但是,尽管有了这些工具,似乎没有人更接近找出 我们如何看待。 神经科学对它们如何相互融合只有基本的了解。

为了解决这个缺点, 我团队的生物工程研究 专注于大脑结构与功能之间的关系。 总体目标是科学地解释在认知任务期间激活不同大脑区域的所有连接(无论是解剖还是无线)。 我们正在研究复杂的模型,以更好地捕捉科学家对脑功能的了解。

最终,更清晰的结构和功能图可以微调脑外科手术试图纠正结构的方法,相反,药物可以尝试纠正功能。

大脑比解剖学建议的复杂程度如何 电近场连接提供了大脑内另一种交流方式。 PM图片/石头通过Getty Images


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头脑中的无线热点

诸如推理和学习之类的认知功能按时间顺序使用了许多不同的大脑区域。 单独的解剖结构-神经元和神经纤维-不能同时或串联解释这些区域的兴奋。

有些连接实际上是“无线的”。 这些是 电气近场连接,而不是在测绘仪中捕获的物理连接。

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我的研究团队已经工作了几年,详细介绍了 这些无线连接的起源 并测量他们的场强。 一个非常简单的类比就是无线路由器的工作原理。 互联网通过有线连接传递到路由器。 然后,路由器会使用无线连接将信息发送到您的笔记本电脑。 由于有线和无线连接,整个信息传输系统都可以正常工作。

大脑比解剖学建议的复杂程度如何 电场源自带电粒子在Ranvier的未绝缘结点处流入和流出神经元的电场。 ttsz / iStock通过Getty Images Plus

在大脑的情况下,神经细胞将电脉冲沿着称为轴突的长线状臂从细胞体传导到其他神经元。 一路上,无线信号自然地从神经细胞的未绝缘部分发出。 这些缺乏包裹轴突其余部分的保护性绝缘层的斑点称为 Ranvier的节点.

Ranvier的节点允许带电离子在神经元中扩散和扩散,从而沿轴突传播电信号。 随着离子的流入和流出,会产生电场。 这些场的强度和结构取决于神经细胞的活动。

在这里 全球神经网络中心 我们专注于这些 无线信号在大脑中起作用 交流信息。

大脑的非线性世界

当研究兴奋的大脑区域与认知功能如何匹配时,当它们依赖导致过于简单的模型的假设时,就会犯下另一个错误。

研究人员倾向于将这种关系建模为 单变量线性,测量单个大脑区域响应的平均大小。 这是背后的逻辑 第一款助听器的设计 –如果一个人的声音大两倍,则耳朵的反应应该大两倍。

大脑比解剖学建议的复杂程度如何 助听器用户知道,仅将感官输入加倍是基本的解决方法。 AndreyPopov / iStock通过Getty Images Plus

但是,随着研究人员逐渐了解耳不是线性系统,助听器已大大改善,并且需要一种非线性压缩形式,以将产生的声音与听众的能力相匹配。 实际上,大多数 生物没有感应系统以线性,一对一的方式对刺激做出反应.

线性模型假设如果系统的输入增加一倍,则该系统的输出也将增加一倍。 对于非线性模型,情况并非如此,对于单个输入值,可以存在许多输出值。 大多数科学家都认为 神经计算实际上是非线性的.

理解大脑与行为之间的联系的一个关键问题是大脑如何在竞争性替代方案中决定最佳的行动方案。 例如,大脑的额叶皮层通过 计算许多数量或变量 –根据时间和精力来计算潜在的回报,成功的可能性和成本。 由于系统是非线性的,因此将潜在收益加倍可能会使最终决定的可能性要大两倍。

通过大脑的信息流比2D模型可以充分代表的复杂得多,并且动态性更高。

线性模型会错过大脑功能中可能发生的多种可能性,尤其是那些超出解剖结构提示范围的可能性。 就像我们周围世界的2D和3D表示形式之间的差异一样。

当前的线性模型仅描述了大脑区域中的平均激发水平或整个大脑表面的流动。 这比我和我的同事从增强的功能磁共振成像和电近场生物成像数据建立非线性模型时所用的信息少得多。 我们的模型可提供3D图像,信息流经大脑表面及其内部深度–使我们更接近于表示其全部工作原理。

大脑比解剖学建议的复杂程度如何 健康的大脑可能会出现功能问题。 科学图片库通过盖蒂图片社

正常解剖,生理功能障碍

我的研究团队对具有完全正常外观的大脑结构的人仍然会遇到重大的功能问题深感兴趣。

作为我们对神经功能障碍研究的一部分,我们探视了临终关怀,丧亲支持小组,康复护理机构,创伤中心和急救医院中的个人。 我们始终感到震惊,意识到失去亲人的人可以 表现出类似的症状 那些被诊断患有阿尔茨海默氏病的患者。

悲伤是对死亡或其他损失的一系列情感,认知,功能和行为反应。 这不是状态,而是可以是临时的或正在进行的过程。

受苦者的大脑健康 生理上的悲伤 阿尔茨海默氏病患者不存在相同的解剖学问题,包括大脑区域缩小和神经元网络之间的连接中断。

我们认为,这只是大脑热点(非物理连接)以及大脑非线性操作的丰富性如何导致大脑扫描无法预测的结果的一个例子。 可能还有更多示例。

这些想法可能为通过无创手段减轻严重神经系统疾病的方法指明了方向。 丧亲疗法和无创电近场神经调节装置 可以减轻与失去亲人有关的症状。 也许应该将这些协议和程序更广泛地提供给患有神经功能障碍的患者,其中影像学确实显示出解剖学改变。 这可以使其中一些人免于侵入性外科手术。

利用我们近来在电近场制图方面的最新进展绘制大脑的所有非物理链接,并采用我们认为具有生物学现实意义的多变量非线性模型,将使我们更加接近我们的目标。 更好地了解大脑不仅会减少对侵入性手术程序进行功能校正的需要,而且还将为大脑的最佳功能提供更好的模型:计算,内存,网络和信息分配。谈话

关于作者

Salvatore Domenic Morgera,Tau Beta Pi杰出工程师,电气工程与生物工程学教授, 南佛罗里达大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.


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