脳はどのようにして数十億の神経信号に同調するのか?

脳はどのようにして数十億の神経信号に同調するのか? あなたの脳は、同時に複数の情報のオーケストラを指揮しています。 エンライテッドオーディオ, CC BY

人間の脳は 数千億の神経信号 毎秒。 それは非常に複雑な偉業です。

健康な脳は、膨大な数の正しい接続を確立し、情報転送の全期間にわたって正確な状態を維持する必要があります。これには、「脳の時間」ではかなり長い時間がかかります。

各信号はどのように目的の宛先に到達しますか?

あなたの脳への挑戦は、騒々しいカクテルパーティーで会話に従事しようとするときに直面しているものに似ています。 話している相手に集中し、他のディスカッションを「ミュート」することができます。 この現象は選択的聴覚です-いわゆる カクテルパーティー効果.

大規模な混雑したパーティーの全員がほぼ同じ音量で話すとき、話している相手の平均的な音声レベルは、他のすべてのパーティー参加者のチャットの平均レベルにほぼ等しくなります。 衛星テレビシステムの場合、これは希望信号とバックグラウンドノイズのバランスがほぼ等しいため、受信状態が悪くなります。 それでも、このバランスは、賑やかなパーティーでの会話を理解するのに十分です。

人間の脳はどのようにそれを行い、数十億の進行中の「会話」をそれ自体の中で区別し、特定のシグナルを追跡して配信しますか

私のチームの研究 脳の神経回路網を調べると、重大な生物学的背景ノイズの存在下で信頼できる接続を確立する能力をサポートする2つのアクティビティがあることがわかります。 脳のメカニズムは非常に複雑ですが、これら2つの活動は電気技術者が呼ぶものとして機能します マッチドフィルター -高性能無線システムで使用され、現在自然界に存在することが知られている処理要素。

調和して歌うニューロン

人間の脳内の数千億の神経線維のうちの1つだけに焦点を当ててみましょう。その多くは通常、任意の時点で活動しています。 彼らはすべて、人間が首尾よく機能し、有意義に相互作用することを可能にする思考プロセスを実行するためにそれぞれの役割を果たしています-オリエンテーション、注意、記憶、問題解決、実行機能などの能力をサポートします。

私の研究チームは、生物学的脳活動を人間の可聴範囲に変換するモデルを開発しました。 脳が聞こえます 職場で。 理想的なノイズのない環境では、信号を伝送する単一の神経線維が次のように聞こえます。

単一の神経線維の活動が人間の可聴域に変換されます。 著者提供(再利用不可)119 KB (ダウンロード)

この選択された神経線維が、脳の他の場所にある目的地に信号を送信するとき、他のすべてのアクティブな線維の活動によって引き起こされるバックグラウンドノイズに立ち向かいます。 脳のカクテルパーティーに浸された同じ繊維の音を次に示します。

脳で起こっている他のすべてを背景にした単一の神経線維の活動。 著者提供(再利用不可)119 KB (ダウンロード)

脳のバックグラウンドノイズは、選択した神経線維の周囲の他の神経線維の小さな集団を刺激して、 同期する ほぼ同じメッセージを送信します。 この同期により、ノイズの影響が軽減され、信号の明瞭さが向上します。

それは仕事をしますが、完璧ではありません。 それは多くの声が調和して歌うことに似ています。 各音声プロジェクトは、各瞬間に固有の周波数でサウンドを投影し、多数の音声の合計が個々の音声の周波数範囲を拡張します。 一曲だけを歌うソリストとは対照的に、音楽ホールをその歌で満たすコーラスを考えてください。 この戦略は、周波数成分を豊かにし、送信信号のレベルを上げ、受信の品質を向上させます。

科学者は、この現象を、物理的に分離された神経線維のサブシステム間の関係または結合の出現として説明します。 より大きく、動的なシステムを作成します。 この考え方は、最終的に解決された350年の謎とそれほど変わらない 振り子時計 同じ壁に取り付けられたビームは、支持ビームに加えられる小さな物理的な力によって同期します。

私の同僚と私は、この同じ「同期」能力が、次のような神経障害の非侵襲的治療法の発見につながる可能性があると考えています。 多発性硬化症。 これは、頭皮の表面に非侵襲性の神経調節デバイスを使用して、脳の領域に小さな非物理的なカスタム電界力を提供することで実現できます。 病気の影響。 患者の脳信号を非侵襲的に変更することにより、これらの電界力は情報伝達のためのより健全な神経ネットワーク環境を作成します。

脳はどのようにして数十億の神経信号に同調するのか? バンドのドラムのように、脳波は「ビートをキープ」します。 ジョシュ・ソレンソン/アンスプラッシュ, CC BY

ドラムを回転させる脳

脳が信号の乱雑さを切り抜ける2番目の方法は、神経科学者が配信キーと呼ぶものです。 それが果たす役割です 脳の自然なリズム、一般に脳波として知られています。

これらの脳のリズムは、特定のパターンで発火する神経細胞によって作成され、約0.5から140サイクル/秒の範囲の特定の非常に低い周波数で電気活動の波を引き起こします。 比較すると、スマートフォンは1秒あたり約5,000,000,000サイクルで動作します。 脳の騒がしい環境の目的地に信号を届けるのに役立つ波は、アルファ波、8から13サイクル/秒、またはベータ波、13から32サイクル/秒のいずれかです。

私の研究室では、この2番目のアクティビティを「ドラムのローリング」と呼びます。脳波の周波数は、軍事、ロック、ポップ、ジャズ、および伝統的なオーケストラで時間を記録または維持するために使用されるサブベースまたはバスドラムの周波数に似ています音楽。

これらの低周波リズムは、追加の周波数として送信信号に刻印される配信キーとして機能します。 それはどのように GPS信号 通信ネットワークを同期します。 脳波信号または配信キーが10サイクル/秒であるとします。 1サイクルの期間は10分の1秒であるため、配信キーは10分の1秒ごとに受信ポイントでタイムマーカーを提供します。

このタイムマーカーは、送信信号の正確な受信に非常に役立ちます。 重要なのは、この配信キーは、意図した受信ポイントでのみロックを開くか、アクティブにすることです。 この考え方は、特定のコンテンツにアクセスするためのパスワードの使用とそれほど変わりません。

神経科学者は、使用される配信キーの選択は 個人の状態に依存。 たとえば、アルファ波は目を閉じた状態での覚醒休息に関連しています。 ベータ波は、通常の覚醒意識と集中力に関連しています。

科学者は、各配信キーまたは脳リズムに関連付けられているのは、個人の状態と一致する認知機能のリストであると考えています。 そのため、たとえば、10サイクル/秒のアルファ波脳リズムで送信された信号には、覚醒休息に関する情報が既にエンコードされています。

電気活動の脳波は ほぼ100年前に特定された、そして研究者は絶えず彼らと行動と脳機能における彼らの役割についてもっと学んでいます。

脳はどのようにして数十億の神経信号に同調するのか? 通信システムを改善するために、研究者は脳がどのように機能するかを学ぶことができます。 マリオ・カルーソ/アンスプラッシュ, CC BY

脳の構築システムのモデリング

私の研究室の神経ネットワークに関する研究は、人間の脳を理解し、さまざまな神経機能障害の非侵襲的診断手順と治療法を開発するだけでなく、電気通信、ネットワーク、サイバーセキュリティ、人工知能、ロボット工学のための改善されたシステムを設計することにも影響を及ぼします。

たとえば、人間の脳は、はるかに高度な通信ネットワークシステムの設計が可能であることを示しています。 5Gセルラーネットワーク 1平方マイルで約1ミリオンのデバイスを提供したいと考えています。 対照的に、人間の脳は、少なくとも1ミリオンの接続を迅速に確立できます 脳組織の立方インチ.

今日の電気通信ネットワークシステムの設計は、電気工学とコンピューター工学という1つの分野の原則から本質的に引き出されるため、制約を受けています。 脳の最も単純な回路である通信ネットワークのリンクのような神経線維でさえ、生物学、化学工学、機械工学、電気工学およびコンピューター工学の複合原理に従って、非常に複雑な方法で動作します。

人間の脳に似た能力を持つシステムを設計するには、医学、生命科学、工学、先端材料の専門家から選ばれたチームである私の研究グループに反映された、より学際的なアプローチが必要です。 研究 パートナー.

著者について

サルヴァトーレドメニックモルジェラ、電気工学と生物工学の教授、 サウスフロリダ大学

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

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