สมองปรับแต่งสัญญาณประสาทหนึ่งสัญญาณจากพันล้านได้อย่างไร? สมองของคุณกำลังจัดการข้อมูลหลายวงพร้อมกัน เสียงตรัสรู้, CC BY

สมองของมนุษย์ส่ง หลายร้อยพันล้านสัญญาณประสาท ในแต่ละวินาที มันเป็นความสำเร็จที่ซับซ้อนเป็นพิเศษ

สมองที่แข็งแรงจะต้องสร้างการเชื่อมต่อที่ถูกต้องจำนวนมหาศาล และตรวจสอบให้แน่ใจว่ายังคงถูกต้องตลอดช่วงการถ่ายโอนข้อมูล ซึ่งอาจใช้เวลาไม่กี่วินาที ซึ่งใน "เวลาสมอง" นั้นค่อนข้างยาว

แต่ละสัญญาณไปถึงจุดหมายได้อย่างไร?

ความท้าทายสำหรับสมองของคุณนั้นคล้ายกับสิ่งที่คุณต้องเผชิญเมื่อพยายามสนทนาในงานเลี้ยงค็อกเทลที่มีเสียงดัง คุณสามารถมุ่งความสนใจไปที่บุคคลที่คุณกำลังพูดด้วยและ "ปิดเสียง" การสนทนาอื่นๆ ปรากฏการณ์นี้คือการคัดเลือกการได้ยิน – สิ่งที่เรียกว่า ผลงานเลี้ยงค็อกเทล.

เมื่อทุกคนในปาร์ตี้ขนาดใหญ่ที่มีผู้คนพลุกพล่านพูดคุยกันในระดับความดังที่ใกล้เคียงกัน ระดับเสียงเฉลี่ยของผู้ที่คุณพูดด้วยจะเท่ากับระดับเฉลี่ยของการพูดคุยของผู้เข้าร่วมปาร์ตี้คนอื่นๆ รวมกัน หากเป็นระบบทีวีดาวเทียม ความสมดุลของสัญญาณที่ต้องการและเสียงพื้นหลังที่สมดุลโดยประมาณนี้จะส่งผลให้การรับสัญญาณไม่ดี อย่างไรก็ตาม ความสมดุลนี้ดีพอที่จะทำให้คุณเข้าใจการสนทนาในงานเลี้ยงที่พลุกพล่าน

กราฟิกสมัครสมาชิกภายในตัวเอง

สมองของมนุษย์ทำได้อย่างไร โดยแยกแยะระหว่าง "การสนทนา" ที่กำลังดำเนินอยู่หลายพันล้านครั้งในตัวเองและล็อกสัญญาณเฉพาะสำหรับการจัดส่ง

การวิจัยของทีมของฉัน ในเครือข่ายทางระบบประสาทของสมองแสดงให้เห็นว่ามีสองกิจกรรมที่สนับสนุนความสามารถในการสร้างการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้เมื่อมีเสียงรบกวนทางชีวภาพที่สำคัญ แม้ว่ากลไกของสมองจะค่อนข้างซับซ้อน แต่กิจกรรมทั้งสองนี้ทำหน้าที่เป็นสิ่งที่วิศวกรไฟฟ้าเรียกว่า calls ตัวกรองที่ตรงกัน - องค์ประกอบการประมวลผลที่ใช้ในระบบวิทยุประสิทธิภาพสูง และปัจจุบันมีอยู่แล้วในธรรมชาติ

เซลล์ประสาทร้องเพลงประสานกัน

ลองใช้เวลาสักครู่เพื่อเพ่งความสนใจไปที่เส้นใยประสาทเพียงหนึ่งในหลายร้อยพันล้านในสมองของมนุษย์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วเส้นใยประสาทจำนวนมากจะทำงาน ณ จุดใดเวลาหนึ่ง พวกเขาทั้งหมดทำหน้าที่ของตนเพื่อดำเนินกระบวนการคิดที่ช่วยให้มนุษย์สามารถทำงานได้อย่างประสบความสำเร็จและมีปฏิสัมพันธ์อย่างมีความหมายต่อกันและกัน ซึ่งสนับสนุนความสามารถต่างๆ เช่น การปฐมนิเทศ ความสนใจ ความจำ การแก้ปัญหา และหน้าที่ของผู้บริหาร

ทีมวิจัยของฉันได้พัฒนาแบบจำลองที่แปลการทำงานของสมองทางชีววิทยาเป็นช่วงเสียงของมนุษย์ เรา ได้ยินเสียงสมอง ที่ทำงาน. นี่คือสิ่งที่เส้นใยประสาทเส้นเดียวส่งสัญญาณเสียงในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากเสียงรบกวนในอุดมคติ:

กิจกรรมของเส้นใยประสาทเดียวแปลเป็นช่วงเสียงของมนุษย์ ผู้เขียนให้ (ไม่ใช้ซ้ำ)119 KB (ดาวน์โหลด)

เมื่อเส้นใยประสาทที่เลือกนี้ส่งสัญญาณไปยังปลายทางเป้าหมายที่อื่นในสมอง ก็ขึ้นอยู่กับเสียงพื้นหลังที่เกิดจากการทำงานของเส้นใยที่ใช้งานอื่นๆ ทั้งหมด นี่คือเสียงของเส้นใยชนิดเดียวกันที่ฝังอยู่ในงานเลี้ยงค็อกเทลของสมอง:

กิจกรรมของเส้นใยประสาทเส้นเดียว กับพื้นหลังของทุกสิ่งทุกอย่างที่เกิดขึ้นในสมอง ผู้เขียนให้ (ไม่ใช้ซ้ำ)119 KB (ดาวน์โหลด)

เสียงพื้นหลังในสมองกระตุ้นเส้นใยประสาทอื่น ๆ รอบ ๆ เส้นใยประสาทที่เราเลือก ประสาน และส่งข้อความประมาณเดียวกัน การซิงโครไนซ์นี้ช่วยลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนและปรับปรุงความชัดเจนของสัญญาณ

มันทำงานได้ แต่ไม่สมบูรณ์แบบ คล้ายกับหลายเสียงร้องประสานกัน โปรเจ็กต์เสียงแต่ละอันจะส่งเสียงที่ความถี่ที่ไม่ซ้ำกันในแต่ละช่วงเวลา ด้วยจำนวนรวมของเสียงจำนวนมากที่ขยายช่วงความถี่ของเสียงแต่ละเสียง ลองนึกถึงการขับร้องที่เต็มห้องโถงดนตรีด้วยเพลง เมื่อเทียบกับนักร้องเดี่ยวที่ร้องเพียงท่อนเดียว กลยุทธ์นี้ช่วยเพิ่มเนื้อหาความถี่ เพิ่มระดับของสัญญาณที่ส่ง และเพิ่มคุณภาพของการรับสัญญาณ

นักวิทยาศาสตร์อธิบายปรากฏการณ์นี้ว่าเป็นการเกิดขึ้นของความสัมพันธ์หรือการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างระบบย่อยที่แยกจากกันทางกายภาพของเส้นใยประสาท สร้างระบบไดนามิกที่ใหญ่ขึ้น ความคิดไม่ต่างจากความลึกลับอายุ 350 ปี ในที่สุดก็ไขได้ว่าทำอย่างไร นาฬิกาลูกตุ้ม ติดตั้งบนผนังเดียวกันประสานผ่านแรงทางกายภาพขนาดเล็กที่กระทำบนคานรองรับ

เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันเชื่อว่าความสามารถเดียวกันนี้ในการ "ซิงค์" อาจนำไปสู่การค้นพบวิธีการรักษาแบบไม่รุกล้ำสำหรับความผิดปกติทางระบบประสาท เช่น หลายเส้นโลหิตตีบ. สิ่งนี้สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ neuromodulator แบบไม่รุกล้ำที่พื้นผิวของหนังศีรษะเพื่อให้สนามไฟฟ้าขนาดเล็กที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดทางกายภาพไปยังบริเวณของสมอง ได้รับผลกระทบจากโรค. โดยการเปลี่ยนแปลงสัญญาณในสมองของผู้ป่วยโดยไม่ลุกลาม แรงสนามไฟฟ้าเหล่านี้จะสร้างสภาพแวดล้อมเครือข่ายทางระบบประสาทที่มีสุขภาพดีขึ้นสำหรับการถ่ายโอนข้อมูล

สมองปรับแต่งสัญญาณประสาทหนึ่งสัญญาณจากพันล้านได้อย่างไร? เช่นเดียวกับกลองในวงดนตรี คลื่นสมองช่วย 'รักษาจังหวะ' จอช โซเรนสัน/Unsplash, CC BY

สมองกลิ้งกลอง

วิธีที่สองที่สมองตัดผ่านความยุ่งเหยิงของสัญญาณคือสิ่งที่นักประสาทวิทยาเรียกว่ากุญแจนำส่ง เป็นหน้าที่ของ จังหวะธรรมชาติของสมองหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าคลื่นสมอง

จังหวะของสมองเหล่านี้สร้างขึ้นโดยเซลล์ประสาทที่ยิงในรูปแบบเฉพาะ ทำให้เกิดคลื่นของกิจกรรมทางไฟฟ้าที่ความถี่ต่ำมากบางช่วง ตั้งแต่ 0.5 ถึง 140 รอบต่อวินาที เมื่อเปรียบเทียบแล้ว สมาร์ทโฟนจะทำงานที่ประมาณ 5,000,000,000 รอบต่อวินาที คลื่นที่ช่วยในการส่งสัญญาณไปยังปลายทางในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดังของสมองนั้นดูเหมือนจะเป็นคลื่นอัลฟ่า 8 ถึง 13 รอบต่อวินาทีหรือคลื่นเบต้า 13 ถึง 32 รอบต่อวินาที

ในห้องทดลองของฉัน เราเรียกกิจกรรมที่สองนี้ว่า "กลิ้งกลอง" ความถี่คลื่นสมองนั้นคล้ายคลึงกับความถี่ของซับเบสหรือกลองเบสที่ใช้ในการทำเครื่องหมายหรือรักษาเวลาในดนตรีแนวทหาร ร็อค ป๊อป แจ๊ส และออเคสตราแบบดั้งเดิม

จังหวะความถี่ต่ำเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นคีย์การส่งมอบที่สร้างความประทับใจให้กับสัญญาณที่ส่งเป็นความถี่เพิ่มเติม มันเหมือนกับว่า สัญญาณจีพีเอส ประสานเครือข่ายโทรคมนาคม สมมติว่าสัญญาณคลื่นสมองหรือคีย์การส่งคือ 10 รอบต่อวินาที ระยะเวลาของหนึ่งรอบคือหนึ่งในสิบของวินาที ดังนั้นคีย์การส่งจะให้เครื่องหมายเวลาที่จุดรับสัญญาณทุกๆ สิบวินาที

ตัวบอกเวลานี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการรับสัญญาณที่ส่งอย่างแม่นยำ ที่สำคัญคือ กุญแจการส่งมอบนี้เปิดหรือเปิดใช้งานการล็อคที่จุดรับที่ตั้งใจไว้เท่านั้น แนวคิดนี้ไม่แตกต่างจากการใช้รหัสผ่านเพื่อเข้าถึงเนื้อหาเฉพาะ

นักประสาทวิทยาเชื่อว่าทางเลือกของกุญแจการส่งมอบที่ใช้ ขึ้นอยู่กับสถานะของแต่ละบุคคล state. ตัวอย่างเช่น คลื่นอัลฟ่าสัมพันธ์กับการหลับตาขณะหลับตา คลื่นเบต้าสัมพันธ์กับการตื่นตัวและสมาธิปกติ

นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าที่เกี่ยวข้องกับกุญแจแต่ละดอกหรือจังหวะของสมองเป็นรายการของหน้าที่ทางปัญญาที่สอดคล้องกับสภาพของแต่ละบุคคล ตัวอย่างเช่น สัญญาณที่ส่งด้วยคลื่นอัลฟ่า 10 รอบต่อวินาที จังหวะสมองที่ประทับใจเมื่อมีข้อมูลเข้ารหัสอยู่แล้วเกี่ยวกับการพักฟื้น

คลื่นสมองของกิจกรรมทางไฟฟ้าคือ ระบุเมื่อเกือบ 100 ปีที่แล้วและนักวิจัยกำลังเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพวกเขาและบทบาทของพวกเขาในพฤติกรรมและการทำงานของสมองอย่างต่อเนื่อง

สมองปรับแต่งสัญญาณประสาทหนึ่งสัญญาณจากพันล้านได้อย่างไร? เพื่อปรับปรุงระบบโทรคมนาคม นักวิจัยสามารถเรียนรู้จากการทำงานของสมอง มาริโอ คารูโซ/Unsplash, CC BY

การสร้างแบบจำลองสร้างระบบในสมอง

การวิจัยในห้องปฏิบัติการของฉันเกี่ยวกับเครือข่ายประสาทวิทยา ไม่เพียงแต่จะเข้าใจสมองของมนุษย์ และพัฒนาขั้นตอนการวินิจฉัยแบบไม่รุกล้ำและการบำบัดรักษาโรคสำหรับความผิดปกติทางระบบประสาทที่หลากหลาย แต่ยังรวมถึงการออกแบบระบบที่ปรับปรุงแล้วสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม เครือข่าย ความปลอดภัยทางไซเบอร์ ปัญญาประดิษฐ์ และวิทยาการหุ่นยนต์

ตัวอย่างเช่น สมองของมนุษย์แสดงให้เห็นว่าการออกแบบระบบเครือข่ายโทรคมนาคมที่ล้ำหน้ากว่านั้นมากเพียงใด เครือข่ายเซลลูลาร์ 5G หวังว่าจะให้บริการได้ประมาณ 1 ล้านเครื่องในหนึ่งตารางไมล์ ในทางตรงกันข้าม สมองของมนุษย์สามารถสร้างการเชื่อมต่ออย่างน้อย 1 ล้านอย่างรวดเร็วภายใน a ลูกบาศก์นิ้วของเนื้อเยื่อสมอง.

การออกแบบระบบเครือข่ายโทรคมนาคมในปัจจุบันมีข้อจำกัดเนื่องจากใช้หลักการของสาขาวิชาเดียว นั่นคือ วิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ แม้แต่วงจรสมองที่ง่ายที่สุด เส้นใยประสาท ซึ่งเหมือนกับการเชื่อมโยงในเครือข่ายโทรคมนาคม ทำงานในรูปแบบที่ซับซ้อนอย่างยิ่งตามหลักการรวมกันของชีววิทยา วิศวกรรมเคมี วิศวกรรมเครื่องกล และวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์

การออกแบบระบบที่มีความสามารถใกล้เคียงกับสมองของมนุษย์จะต้องใช้แนวทางสหสาขาวิชาชีพที่สะท้อนอยู่ในกลุ่มวิจัยของฉันมากขึ้น - ทีมที่ดึงมาจากผู้เชี่ยวชาญด้านการแพทย์, วิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต, วิศวกรรมและวัสดุขั้นสูง - และ การวิจัย พาร์ทเนอร์.

เกี่ยวกับผู้เขียน

ซัลวาตอเร โดเมนิก มอร์เกรา, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิศวกรรมชีวภาพ, มหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดา

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือ_วิทยาศาสตร์