Ihr Gehirn leitet mehrere Informationsorchester gleichzeitig. Erleuchtetes Audio, CC BY

Das menschliche Gehirn sendet Hunderte von Milliarden neuronaler Signale jede Sekunde. Es ist eine außerordentlich komplexe Leistung.

Ein gesundes Gehirn muss eine enorme Anzahl von korrekten Verbindungen herstellen und sicherstellen, dass diese während des gesamten Zeitraums der Informationsübertragung korrekt sind - das kann Sekunden dauern, was in der „Gehirnzeit“ ziemlich lang ist.

Wie kommt jedes Signal an sein vorgesehenes Ziel?

Die Herausforderung für Ihr Gehirn ist ähnlich wie bei Gesprächen auf einer lauten Cocktailparty. Sie können sich auf die Person konzentrieren, mit der Sie sprechen, und die anderen Diskussionen stummschalten. Dieses Phänomen ist selektives Hören - was heißt das? Cocktailparty-Effekt.

Wenn alle Teilnehmer einer großen, überfüllten Party ungefähr mit derselben Lautstärke sprechen, entspricht der durchschnittliche Lautstärkepegel der Person, mit der Sie sprechen, ungefähr dem Durchschnittspegel aller Geschwätzer der anderen Partygänger zusammen. Wenn es sich um ein Satellitenfernsehsystem handeln würde, würde dieses in etwa gleiche Gleichgewicht zwischen gewünschtem Signal und Hintergrundrauschen zu einem schlechten Empfang führen. Trotzdem ist diese Balance gut genug, um die Unterhaltung auf einer geschäftigen Party zu verstehen.

Wie macht es das menschliche Gehirn, wenn es Milliarden von laufenden „Gesprächen“ in sich unterscheidet und sich auf ein bestimmtes Signal zur Übermittlung einlässt?

Die Forschung meines Teams In den neurologischen Netzwerken des Gehirns zeigen sich zwei Aktivitäten, die seine Fähigkeit unterstützen, zuverlässige Verbindungen bei Vorhandensein von signifikanten biologischen Hintergrundgeräuschen herzustellen. Obwohl die Mechanismen des Gehirns recht komplex sind, fungieren diese beiden Aktivitäten als das, was ein Elektrotechniker als bezeichnet passender Filter - ein Verarbeitungselement, das in Hochleistungsfunksystemen verwendet wird und von dem jetzt bekannt ist, dass es in der Natur existiert.

Neuronen singen in Harmonie

Nehmen wir uns einen Moment Zeit und konzentrieren uns auf nur eine von Hunderten von Milliarden Nervenfasern im menschlichen Gehirn, von denen viele zu einem bestimmten Zeitpunkt normalerweise aktiv sind. Sie alle tragen ihren Teil dazu bei, Denkprozesse durchzuführen, die es dem Menschen ermöglichen, erfolgreich zu funktionieren und sinnvoll miteinander zu interagieren - und dabei Fähigkeiten wie Orientierung, Aufmerksamkeit, Gedächtnis, Problemlösung und Führungsaufgaben zu unterstützen.

Mein Forschungsteam hat ein Modell entwickelt, das die biologische Gehirnaktivität in den Hörbereich des Menschen übersetzt kann das Gehirn hören auf Arbeit. So klingt eine einzelne Nervenfaser, die ihr Signal überträgt, in einer idealen, rauschfreien Umgebung:

Wenn diese ausgewählte Nervenfaser ein Signal an ein anderes Ziel im Gehirn sendet, ist sie dem Hintergrundrauschen ausgesetzt, das durch die Aktivität aller anderen aktiven Fasern verursacht wird. Hier ist der Sound derselben Faser, der jetzt in die Cocktailparty des Gehirns eingetaucht ist:

Das Hintergrundrauschen im Gehirn regt eine kleine Population anderer Nervenfasern um die von uns gewählte Nervenfaser an synchronisieren und übertragen Sie ungefähr die gleiche Nachricht. Diese Synchronisation reduziert den Effekt des Rauschens und verbessert die Klarheit des Signals.

Es macht den Job, ist aber nicht perfekt. Es ist ähnlich wie bei vielen Stimmen, die in Harmonie singen. Jede Stimme projiziert zu jedem Zeitpunkt Klang mit ihren eigenen Frequenzen, wobei die Summe der Stimmenvielfalt den Frequenzbereich jeder einzelnen Stimme erweitert. Stellen Sie sich einen Chor vor, der einen Musiksaal mit seinem Lied füllt, im Gegensatz zu einem Solisten, der nur eine Stimme singt. Diese Strategie bereichert den Frequenzinhalt, erhöht den Pegel des gesendeten Signals und erhöht die Empfangsqualität.

Wissenschaftler beschreiben dieses Phänomen als die Entstehung einer Beziehung oder Kopplung zwischen physikalisch getrennten Teilsystemen von Nervenfasern. Es entsteht ein größeres, dynamisches System. Die Idee unterscheidet sich nicht so sehr von dem 350-jährigen Rätsel, wie Pendeluhren an der gleichen Wand montiert synchronisieren durch kleine physikalische Kräfte, die auf den Tragbalken ausgeübt werden.

Meine Kollegen und ich glauben, dass die gleiche Fähigkeit zur Synchronisation zur Entdeckung nicht-invasiver therapeutischer Behandlungen für neurologische Erkrankungen wie z Multiple Sklerose. Dies könnte unter Verwendung eines nichtinvasiven Neuromodulators an der Oberfläche der Kopfhaut erreicht werden, um der Region des Gehirns kleine, nichtphysikalische benutzerdefinierte elektrische Feldkräfte bereitzustellen von der Krankheit betroffen. Durch die nichtinvasive Veränderung der Gehirnsignale des Patienten würden diese elektrischen Feldkräfte eine gesündere neurologische Netzwerkumgebung für die Informationsübertragung schaffen.

Wie die Trommeln einer Band helfen Gehirnwellen dabei, den Takt zu halten. Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Gehirne, die die Trommeln rollen

Der zweite Weg, den Gehirne durch das Signalgewirr gehen, wird von Neurowissenschaftlern als Übermittlungsschlüssel bezeichnet. Es ist die Rolle der natürliche Rhythmen des Gehirns, im Volksmund als Gehirnwellen bekannt.

Diese Gehirnrhythmen werden von Nervenzellen erzeugt, die in bestimmten Mustern feuern und Wellen elektrischer Aktivität mit bestimmten sehr niedrigen Frequenzen verursachen, die von etwa 0.5 bis 140 Zyklen pro Sekunde reichen. Im Vergleich dazu arbeiten Smartphones mit etwa 5,000,000,000-Zyklen pro Sekunde. Die Wellen, die dazu beitragen, ein Signal an ein Ziel in der lauten Umgebung des Gehirns zu senden, scheinen entweder Alpha-Wellen zu sein, 8-13-Zyklen pro Sekunde, oder Beta-Wellen, 13-32-Zyklen pro Sekunde.

In meinem Labor bezeichnen wir diese zweite Aktivität als „Trommeln“. Die Frequenz der Gehirnwellen ähnelt derjenigen des Subbasses oder der Bassdrum, mit denen die Zeit in Militär, Rock, Pop, Jazz und traditionellem Orchester markiert oder festgehalten wird Musik.

Diese niederfrequenten Rhythmen fungieren als Zustellschlüssel, der dem übertragenen Signal als zusätzliche Frequenz aufgeprägt wird. Es ist so ähnlich wie GPS-Signale Telekommunikationsnetze synchronisieren. Angenommen, das Gehirnwellensignal oder der Übermittlungsschlüssel sind 10-Zyklen pro Sekunde. Die Zeitdauer eines Zyklus beträgt eine Zehntelsekunde, sodass der Zustellungsschlüssel jede Zehntelsekunde eine Zeitmarke am Empfangspunkt anzeigt.

Diese Zeitmarke ist äußerst hilfreich für den genauen Empfang des gesendeten Signals. Entscheidend ist, dass dieser Zustellschlüssel das Schloss nur an der vorgesehenen Empfangsstelle öffnet oder aktiviert. Die Idee unterscheidet sich nicht so sehr von der Verwendung eines Passworts, um Zugriff auf bestimmte Inhalte zu erhalten.

Neurowissenschaftler glauben, dass die Wahl des Lieferschlüssels verwendet wird hängt vom Zustand des Individuums ab. Zum Beispiel sind Alphawellen mit wacher Ruhe bei geschlossenen Augen verbunden. Betawellen sind mit normalem Wachbewusstsein und normaler Konzentration verbunden.

Wissenschaftler nehmen an, dass mit jedem Übermittlungsschlüssel oder Gehirnrhythmus eine Liste kognitiver Funktionen verknüpft ist, die mit dem individuellen Zustand des Individuums übereinstimmt. So enthält beispielsweise ein Signal, das mit einem Gehirnrhythmus von 10-Zyklen pro Sekunde gesendet wird, bereits codierte Informationen über die Wachruhe.

Gehirnwellen elektrischer Aktivität waren vor fast 100 Jahren identifiziertund Forscher lernen ständig mehr über sie und ihre Rolle im Verhalten und in der Gehirnfunktion.

Um Telekommunikationssysteme zu verbessern, können Forscher lernen, wie das Gehirn seine Arbeit erledigt. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modellierung von gebauten Systemen im Gehirn

Die Erforschung neurologischer Netzwerke in meinem Labor hat Auswirkungen auf das Verständnis des menschlichen Gehirns und die Entwicklung nichtinvasiver Diagnoseverfahren und therapeutischer Behandlungen für eine Vielzahl neurologischer Funktionsstörungen, aber auch auf die Entwicklung verbesserter Systeme für Telekommunikation, Vernetzung, Cybersicherheit, künstliche Intelligenz und Robotik.

Zum Beispiel zeigt das menschliche Gehirn, wie viel fortschrittlicher das Design von Telekommunikationsnetzwerken sein könnte. 5G-Mobilfunknetze Ich hoffe, auf einer Quadratmeile etwa 1 Millionen Geräte bedienen zu können. Im Gegensatz dazu kann das menschliche Gehirn innerhalb von a schnell mindestens 1 Millionen Verbindungen herstellen Kubikzoll Hirngewebe.

Die heutigen Systeme für Telekommunikationsnetze sind eingeschränkt, da sie sich im Wesentlichen auf die Prinzipien einer Disziplin stützen - Elektrotechnik und Computertechnik. Selbst die einfachsten Schaltkreise des Gehirns, die Nervenfasern, die wie die Verbindungen in einem Telekommunikationsnetz sind, arbeiten auf äußerst komplexe Weise nach kombinierten Prinzipien der Biologie, der Chemie, des Maschinenbaus sowie der Elektro- und Computertechnik.

Das Entwerfen von Systemen mit ähnlichen Fähigkeiten wie das menschliche Gehirn erfordert einen wesentlich multidisziplinäreren Ansatz, der sich in meiner Forschungsgruppe widerspiegelt - einem Team von Experten aus Medizin, Biowissenschaften, Ingenieurwissenschaften und fortschrittlichen Materialien - und Forschungsprojekte .

Über den Autor

Salvatore Domenic Morgera, Professor für Elektrotechnik und Bioingenieurwesen, University of South Florida

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