Wie Gehirne komplexer sind als die Anatomie vorschlägt Wissenschaftler setzen immer noch das Rätsel zusammen, wie das Gehirn funktioniert. Yuichiro Chino / Moment über Getty Images

Wie das Gehirn funktioniert, bleibt ein Rätsel mit nur wenigen Teilen. Von diesen ist ein großes Stück tatsächlich eine Vermutung: dass es eine Beziehung zwischen dem gibt physische Struktur des Gehirns und seine Funktionalität.

Zu den Aufgaben des Gehirns gehören das Interpretieren von Berührungs-, visuellen und akustischen Eingaben sowie von Sprache, Argumentation, Emotionen, Lernen, Feinsteuerung der Bewegung und vielen anderen. Neurowissenschaftler gehen davon aus, dass es die Anatomie des Gehirns mit seinen Hunderten von Milliarden Nervenfasern ist, die all diese Funktionen ermöglicht. Die „lebenden Drähte“ des Gehirns sind in ausgeklügelten neurologischen Netzwerken verbunden, aus denen die erstaunlichen Fähigkeiten des Menschen hervorgehen.

Es scheint, dass Wissenschaftler, wenn sie die Nervenfasern und ihre Verbindungen abbilden und den Zeitpunkt der durch sie fließenden Impulse für eine höhere Funktion wie das Sehen aufzeichnen können, in der Lage sein sollten, beispielsweise die Frage zu lösen, wie man sieht. Forscher werden immer besser darin, das Gehirn mithilfe zu kartieren Traktographie - Eine Technik, die Nervenfaserwege mithilfe der 3D-Modellierung visuell darstellt. Und sie können besser aufzeichnen, wie sich Informationen durch das Gehirn bewegen, indem sie mithilfe einer verbesserten funktionellen Magnetresonanztomographie den Blutfluss messen.

Aber trotz dieser Werkzeuge scheint niemand viel näher dran zu sein, es herauszufinden wie wir wirklich sehen. Die Neurowissenschaften haben nur ein rudimentäres Verständnis dafür, wie alles zusammenpasst.


Innerself-Abonnieren-Grafik


Um dieses Manko zu beheben, Die Bioengineering-Forschung meines Teams konzentriert sich auf die Beziehungen zwischen Gehirnstruktur und -funktion. Das übergeordnete Ziel besteht darin, alle Verbindungen - sowohl anatomische als auch drahtlose -, die verschiedene Gehirnregionen bei kognitiven Aufgaben aktivieren, wissenschaftlich zu erklären. Wir arbeiten an komplexen Modellen, die besser erfassen, was Wissenschaftler über die Gehirnfunktion wissen.

Letztendlich kann ein klareres Bild von Struktur und Funktion die Art und Weise, wie Gehirnoperationen versuchen, die Struktur zu korrigieren, und umgekehrt Medikamente, die Funktion zu korrigieren, verfeinern.

Wie Gehirne komplexer sind als die Anatomie vorschlägt Elektrische Nahfeldverbindungen bieten eine weitere Kommunikationsebene im Gehirn. PM Images / Stone über Getty Images

Drahtlose Hot Spots in Ihrem Kopf

Kognitive Funktionen wie Denken und Lernen verwenden eine Reihe unterschiedlicher Gehirnregionen in zeitlich geordneter Weise. Die Anatomie allein - die Neuronen und Nervenfasern - kann die gleichzeitige oder gleichzeitige Erregung dieser Regionen nicht erklären.

Einige Verbindungen sind tatsächlich "drahtlos". Diese sind elektrische Nahfeldanschlüsseund nicht die physischen Verbindungen, die in Traktographen erfasst wurden.

[Fachwissen in Ihrem Posteingang. Melden Sie sich für den Newsletter von The Conversation an und lassen Sie sich jeden Tag von Experten über die heutigen Nachrichten informieren.]

Mein Forschungsteam arbeitet seit mehreren Jahren im Detail Ursprünge dieser drahtlosen Verbindungen und Messen ihrer Feldstärken. Eine sehr einfache Analogie zu den Vorgängen im Gehirn ist die Funktionsweise eines WLAN-Routers. Das Internet wird über eine Kabelverbindung an einen Router geliefert. Der Router sendet die Informationen dann über drahtlose Verbindungen an Ihren Laptop. Das Gesamtsystem der Informationsübertragung funktioniert sowohl über drahtgebundene als auch über drahtlose Verbindungen.

Wie Gehirne komplexer sind als die Anatomie vorschlägt Elektrische Felder stammen von geladenen Teilchen, die an ihren nicht isolierten Knotenpunkten von Ranvier in und aus Neuronen fließen. ttsz / iStock über Getty Images Plus

Im Fall des Gehirns leiten Nervenzellen elektrische Impulse über lange fadenförmige Arme, sogenannte Axone, vom Zellkörper zu anderen Neuronen. Auf dem Weg dorthin werden drahtlose Signale auf natürliche Weise von nicht isolierten Teilen der Nervenzellen abgegeben. Diese Stellen, denen die Schutzisolierung fehlt, die den Rest des Axons umhüllt, werden genannt Knoten von Ranvier.

Die Knoten von Ranvier ermöglichen es geladenen Ionen, in das Neuron hinein und aus diesem heraus zu diffundieren und das elektrische Signal über das Axon auszubreiten. Beim Ein- und Ausströmen der Ionen werden elektrische Felder erzeugt. Die Intensität und Struktur dieser Felder hängt von der Aktivität der Nervenzelle ab.

Hier bei der Globales Zentrum für neurologische Netzwerke Wir konzentrieren uns darauf, wie diese Funksignale wirken im Gehirn Informationen zu kommunizieren.

Die nichtlineare Welt des Gehirns

Untersuchungen darüber, wie angeregte Gehirnregionen mit kognitiven Funktionen übereinstimmen, machen einen weiteren Fehler, wenn sie auf Annahmen beruhen, die zu übermäßig einfachen Modellen führen.

Forscher neigen dazu, die Beziehung als zu modellieren linear mit einer einzelnen VariablenMessen der durchschnittlichen Größe der Reaktion einer einzelnen Gehirnregion. Es ist die Logik hinter dem Design des ersten Hörgeräts - Wenn die Stimme einer Person doppelt so laut wird, sollte das Ohr doppelt so stark reagieren.

Wie Gehirne komplexer sind als die Anatomie vorschlägt Hörgerätebenutzer wissen, dass das Verdoppeln des sensorischen Inputs eine rudimentäre Lösung ist. AndreyPopov / iStock über Getty Images Plus

Im Laufe der Jahre haben sich die Hörgeräte jedoch erheblich verbessert, da die Forscher besser verstanden haben, dass das Ohr kein lineares System ist und eine Form der nichtlinearen Komprimierung erforderlich ist, um die erzeugten Geräusche an die Fähigkeiten des Hörers anzupassen. In der Tat die meisten Lebewesen haben keine Erfassungssysteme, die linear und eins zu eins auf Reize reagieren.

Lineare Modelle gehen davon aus, dass bei einer Verdoppelung der Eingabe in ein System auch die Ausgabe dieses Systems verdoppelt wird. Dies gilt nicht für nichtlineare Modelle, bei denen viele Ausgabewerte für einen einzelnen Wert der Eingabe vorhanden sein können. Und die meisten Wissenschaftler sind sich einig Neuronale Berechnungen sind tatsächlich nichtlinear.

Eine entscheidende Frage für das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Gehirn und Verhalten ist, wie das Gehirn die beste Vorgehensweise unter konkurrierenden Alternativen entscheidet. Zum Beispiel trifft der frontale Kortex des Gehirns optimale Entscheidungen durch Berechnung vieler Größen oder Variablen - Berechnung der potenziellen Auszahlung, der Erfolgswahrscheinlichkeit und der Kosten in Bezug auf Zeit und Aufwand. Da das System nichtlinear ist, kann eine Verdoppelung der potenziellen Auszahlung eine endgültige Entscheidung treffen, die mehr als doppelt so wahrscheinlich ist.

{vembed V=394259925} Der Informationsfluss durch das Gehirn ist viel komplexer und dynamischer, als ein 2D-Modell angemessen darstellen kann.

Lineare Modelle verpassen die vielfältigen Möglichkeiten, die bei der Gehirnfunktion auftreten können, insbesondere solche, die über die anatomische Struktur hinausgehen. Es ist wie der Unterschied zwischen einer 2D- und einer 3D-Darstellung der Welt um uns herum.

Aktuelle lineare Modelle beschreiben lediglich das durchschnittliche Erregungsniveau in einer Gehirnregion oder den Fluss über eine Gehirnoberfläche. Das sind viel weniger Informationen als meine Kollegen und ich, wenn wir unsere nichtlinearen Modelle sowohl aus verbesserten funktionellen Magnetresonanztomographien als auch aus elektrischen Nahfeld-Bioimaging-Daten erstellen. Unsere Modelle liefern ein 3D-Bild des Informationsflusses über die Oberflächen des Gehirns und in die Tiefen des Gehirns - und bringen uns näher an die Darstellung der Funktionsweise.

Wie Gehirne komplexer sind als die Anatomie vorschlägt Ein gesund aussehendes Gehirn kann funktionelle Probleme haben. Wissenschaftsfotobibliothek über Getty Images

Normale Anatomie, physiologische Dysfunktion

Mein Forschungsteam ist fasziniert von der Tatsache, dass Menschen mit völlig normal aussehenden Gehirnstrukturen immer noch große funktionelle Probleme haben können.

Im Rahmen unserer Forschung zu neurologischen Funktionsstörungen besuchen wir Einzelpersonen in Hospizen, Trauerhilfegruppen, Rehabilitationseinrichtungen, Traumazentren und Akutkrankenhäusern. Wir sind immer wieder überrascht zu erkennen, dass Menschen, die geliebte Menschen verloren haben, dies können zeigen ähnliche Symptome zu denen von Patienten mit Alzheimer-Diagnose diagnostiziert.

Trauer ist eine Reihe emotionaler, kognitiver, funktioneller und verhaltensbezogener Reaktionen auf Tod oder andere Arten von Verlust. Es ist kein Staat, sondern ein Prozess, der entweder vorübergehend oder fortlaufend sein kann.

Das gesund aussehende Gehirn der Leidenden physiologische Trauer haben nicht die gleichen anatomischen Probleme - einschließlich geschrumpfter Gehirnregionen und gestörter Verbindungen zwischen Netzwerken von Neuronen -, die bei Menschen mit Alzheimer-Krankheit auftreten.

Wir glauben, dass dies nur ein Beispiel dafür ist, wie die Hot Spots des Gehirns - jene Verbindungen, die nicht physisch sind - sowie der Reichtum der nichtlinearen Operation des Gehirns zu Ergebnissen führen können, die von einem Gehirn-Scan nicht vorhergesagt werden könnten. Es gibt wahrscheinlich noch viele weitere Beispiele.

Diese Ideen könnten den Weg zur Linderung schwerwiegender neurologischer Erkrankungen durch nichtinvasive Mittel weisen. Trauertherapie und nicht-invasive elektrische Nahfeld-Neuromodulationsgeräte kann die Symptome reduzieren, die mit dem Verlust eines geliebten Menschen verbunden sind. Vielleicht sollten diese Protokolle und Verfahren Patienten mit neurologischen Funktionsstörungen, bei denen die Bildgebung anatomische Veränderungen aufzeigt, in größerem Umfang angeboten werden. Es könnte einige dieser Personen vor invasiven chirurgischen Eingriffen bewahren.

Wenn wir alle nichtphysischen Verbindungen des Gehirns anhand unserer jüngsten Fortschritte bei der elektrischen Nahfeldkartierung grafisch darstellen und das verwenden, was wir für biologisch realistische nichtlineare Modelle mit vielen Variablen halten, werden wir dem Ziel einen Schritt näher kommen. Ein besseres Verständnis des Gehirns verringert nicht nur die Notwendigkeit invasiver Betriebsverfahren zur Korrektur der Funktion, sondern führt auch zu besseren Modellen für das, was das Gehirn am besten kann: Berechnung, Gedächtnis, Vernetzung und Informationsverteilung.Das Gespräch

Über den Autor

Salvatore Domenic Morgera, Professor für Elektrotechnik und Bioingenieurwesen, Tau Beta Pi Eminent Engineer, University of South Florida

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bücher zum Thema:

Der Körper behält den Überblick: Gehirn, Geist und Körper bei der Heilung von Traumata

von Bessel van der Kolk

Dieses Buch untersucht die Verbindungen zwischen Trauma und körperlicher und geistiger Gesundheit und bietet Einblicke und Strategien für Heilung und Genesung.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Atem: Die neue Wissenschaft einer verlorenen Kunst

von James Nestor

Dieses Buch untersucht die Wissenschaft und Praxis des Atmens und bietet Einblicke und Techniken zur Verbesserung der körperlichen und geistigen Gesundheit.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Das Pflanzenparadoxon: Die versteckten Gefahren in "gesunden" Lebensmitteln, die Krankheiten und Gewichtszunahme verursachen

von Steven R. Gundry

Dieses Buch untersucht die Zusammenhänge zwischen Ernährung, Gesundheit und Krankheit und bietet Einblicke und Strategien zur Verbesserung der allgemeinen Gesundheit und des Wohlbefindens.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Der Immunitätscode: Das neue Paradigma für echte Gesundheit und radikales Anti-Aging

von Joel Greene

Dieses Buch bietet eine neue Perspektive auf Gesundheit und Immunität, stützt sich auf Prinzipien der Epigenetik und bietet Einblicke und Strategien zur Optimierung von Gesundheit und Alterung.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen

Der vollständige Leitfaden zum Fasten: Heilen Sie Ihren Körper durch intermittierendes, alternierendes und verlängertes Fasten

von Dr. Jason Fung und Jimmy Moore

Dieses Buch untersucht die Wissenschaft und Praxis des Fastens und bietet Einblicke und Strategien zur Verbesserung der allgemeinen Gesundheit und des Wohlbefindens.

Klicken Sie für weitere Informationen oder zum Bestellen