大脑如何调和数十亿个神经信号?

大脑如何调和数十亿个神经信号? 您的大脑正在同时指挥多个信息乐团。 开明的音频, CC BY

人脑发送 数千亿个神经信号 每秒。 这是一个非常复杂的壮举。

一个健康的大脑必须建立大量正确的连接,并确保它们在信息传输的整个过程中保持准确–可能需要几秒钟,这在“大脑时间”中非常长。

每个信号如何到达其预期的目的地?

大脑的挑战与您在嘈杂的鸡尾酒会上进行交谈时所面临的挑战相似。 您可以专注于与您交谈的人,并“静音”其他讨论。 这种现象是选择性听力-所谓的 鸡尾酒会效果.

当一个拥挤的聚会中的每个人都以大致相同的响度讲话时,与您交谈的人的平均声音水平大约等于所有其他参加聚会的人的平均声音水平。 如果是卫星电视系统,则所需信号和背景噪声的这种大致相等的平衡将导致接收效果差。 但是,这种平衡足以让您了解在繁华的聚会上的交谈。

人脑如何做到这一点,在其内部数十亿进行中的“对话”之间进行区分,并锁定特定的传递信号?

我的团队的研究 进入大脑神经网络后,发现存在两种活动,可在存在明显生物学背景噪音的情况下支持其建立可靠连接的能力。 尽管大脑的机制非常复杂,但这两种活动就像电气工程师所说的那样。 匹配过滤器 -在高性能无线电系统中使用的处理元件,现在已知其已经存在于自然界中。


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神经元和谐地唱歌

让我们花一点时间专注于人脑中数千亿个神经纤维之一,其中许多通常在任何给定的时间点都处于活动状态。 他们都在尽自己的一份力量来执行使人类能够成功运作并彼此有意义地互动的思维过程-支持能力,例如定向,注意力,记忆,解决问题和执行功能。

我的研究小组开发了一个模型,可以将生物的大脑活动转化为人类可听见的范围,因此我们 可以听到大脑 工作中。 在理想的无噪声环境中,这是一条传递信号的神经纤维的声音:

单根神经纤维的活动转化为人类可听见的范围。 提供作者(不可重复使用)119 KB (下载)

当这种选择的神经纤维将信号传送到大脑其他地方的目标位置时,它就会与所有其他活性纤维的活动所引起的背景噪声发生冲突。 这是现在浸入大脑鸡尾酒会的同一根光纤的声音:

在大脑其他所有事物的背景下,单个神经纤维的活动。 提供作者(不可重复使用)119 KB (下载)

大脑中的背景噪声会刺激我们选择的神经纤维周围的一小撮其他神经纤维 同步 并传送大致相同的讯息 这种同步减少了噪声的影响并提高了信号的清晰度。

它可以完成工作,但并不完美。 这类似于许多声音和谐地唱歌。 每个声音在每个时刻以其独特的频率投射声音,大量声音的总和扩展了每个声音的频率范围。 想像一下,一个合唱团将音乐厅的歌声填满了,而独奏者只演唱了一部分。 这种策略丰富了频率内容,提高了发射信号的电平,并提高了接收质量。

科学家将这种现象描述为在物理上分离的神经纤维子系统之间的关系或耦合的出现。 它创建了一个更大的动态系统。 这个想法与350岁的谜团没有什么不同,这个谜团终于解决了, 摆钟 安装在同一壁上的支架通过施加在支撑梁上的较小的物理力进行同步。

我和我的同事相信,这种“同步”的能力可能会导致发现针对神经系统疾病(例如 多发性硬化症。 这可以通过在头皮表面使用非侵入性神经调节器设备向大脑区域提供小的非物理自定义电场力来实现 受疾病影响。 通过非侵入性地改变患者的大脑信号,这些电场力将为信息传递创造更健康的神经网络环境。

大脑如何调和数十亿个神经信号? 就像乐队中的鼓一样,脑电波有助于“保持节奏”。 乔希·索伦森/ Unsplash, CC BY

大脑打鼓

大脑消除信号混乱的第二种方式是神经科学家称之为传递密钥。 这是由 大脑的自然节律,俗称脑电波。

这些脑节律是由神经细胞以特定的模式激发而产生的,它们以某些非常低的频率(每秒约0.5至140个周期)产生电活动波。 相比之下,智能手机的运行速度约为每秒5,000,000,000个周期。 有助于将信号传递到大脑嘈杂环境中的目标的波似乎是Alpha波(每秒8至13周期)或Beta波(每秒13至32周期)。

在我的实验室中,我们将第二个活动称为“滚动鼓”。脑波频率类似于用来标记或保留军事,摇滚,流行,爵士和传统乐团时间的低音提琴或低音鼓。音乐。

这些低频节律充当传递键,该传递键作为附加频率加在传输的信号上。 有点像 GPS信号 同步电信网络。 假设脑电波信号或传递关键是每秒10个周期。 一个周期的持续时间为十分之一秒,因此传送密钥每十分之一秒在接收点给出一个时间标记。

该时间标记对于准确接收发射信号非常有帮助。 至关重要的是,此交付密钥仅在预期的接收点打开或激活锁。 这个想法与使用密码获得对特定内容的访问没有太大不同。

神经科学家认为,使用交付密钥的选择 取决于个人的状态。 例如,阿尔法波与闭着眼睛的清醒休息有关。 Beta波与正常的清醒意识和注意力有关。

科学家认为与每个传递键或脑节律有关的是与个人状态相一致的一系列认知功能。 因此,例如,以每秒10周期的速度发送的信号在其上留下深刻的Alpha波脑节律时,已经在其中编码了有关唤醒休息的信息。

电活动的脑波是 在100年前就已确定,研究人员正在不断地了解它们,以及它们在行为和大脑功能中的作用。

大脑如何调和数十亿个神经信号? 为了改善电信系统,研究人员可以从大脑如何工作中学习。 马里奥·卡鲁索/ Unsplash, CC BY

在大脑上对构建的系统进行建模

我的实验室对神经网络的研究不仅对理解人脑并开发针对各种神经功能障碍的无创诊断程序和治疗方法具有重要意义,而且对设计用于电信,网络,网络安全,人工智能和机器人技术的改进系统也具有重要意义。

例如,人脑演示了更先进的电信网络系统设计可能是多少。 5G蜂窝网络 希望能在平方英里内为大约1百万台设备提供服务。 相比之下,人脑可以在一个内部快速建立至少1百万个连接 立方英寸的脑组织.

当今的电信网络系统设计受到限制,因为它们本质上是从一种学科的原理(电气和计算机工程)中汲取的。 根据生物学,化学工程,机械工程以及电气和计算机工程的综合原理,即使是大脑中最简单的电路,神经纤维也像电信网络中的链路一样,以极其复杂的方式运行。

设计功能与人脑相似的系统将需要我研究小组(由医学,生命科学,工程学和先进材料的专家组成的团队)反映出的多学科方法。 研究 伙伴.

关于作者

萨尔瓦多·多梅尼克·莫格拉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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