해부학이 제안하는 것보다 뇌가 더 복잡한 방법

해부학이 제안하는 것보다 뇌가 더 복잡한 방법 과학자들은 여전히 ​​뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 퍼즐을 정리하고 있습니다. 게티 이미지를 통한 유이치로 치노 / 모멘트

뇌의 작동 방식은 몇 조각 만 남은 퍼즐로 남아 있습니다. 이 중 하나의 큰 부분은 실제로 추측입니다. 뇌의 물리적 구조와 기능.

뇌의 직업에는 터치, 시각 및 소리 입력뿐만 아니라 말하기, 추론, 감정, 학습, 정밀한 운동 제어 및 기타 많은 것들이 포함됩니다. 신경 과학자들은 이러한 기능을 모두 가능하게하는 뇌의 해부학 적 구조로 수억 억 개의 신경 섬유가 있다고 추정합니다. 뇌의 "생선"은 정교한 신경 네트워크에 연결되어 인간의 놀라운 능력을 발휘합니다.

과학자들이 신경 섬유와 그 연결을 매핑하고 시력과 같은 더 높은 기능을 위해 그것들을 통해 흐르는 충동의 타이밍을 기록 할 수 있다면, 예를 들어 어떻게 보이는지에 대한 문제를 해결할 수있을 것입니다. 연구원들은 견인 – 3D 모델링을 사용하여 신경 섬유 경로를 시각적으로 나타내는 기술. 또한 혈류를 측정하기 위해 향상된 기능적 자기 공명 영상을 사용하여 뇌를 통해 정보가 어떻게 이동하는지 기록하는 데 더 능숙 해지고 있습니다.

그러나 이러한 도구에도 불구하고 아무도 알아내는 데 훨씬 더 가깝지 않습니다. 우리가 실제로 보는 방법. 신경 과학은 그것이 어떻게 서로 잘 맞는지에 대한 기초 지식 만 가지고 있습니다.

이 단점을 해결하기 위해 우리 팀의 생명 공학 연구 뇌 구조와 기능 사이의 관계에 중점을 둡니다. 전반적인 목표는인지 작업 중에 다른 뇌 영역을 활성화시키는 해부학 적 및 무선의 모든 연결을 과학적으로 설명하는 것입니다. 우리는 과학자들이 뇌 기능에 대해 알고있는 것을 더 잘 포착하는 복잡한 모델을 연구하고 있습니다.

궁극적으로 구조와 기능에 대한보다 명확한 그림은 뇌 수술이 구조를 교정하려는 시도와 반대로 약물이 기능을 교정하려는 방식을 미세 조정할 수 있습니다.

해부학이 제안하는 것보다 뇌가 더 복잡한 방법 전기 근거리 연결은 뇌 내에서 다른 수준의 커뮤니케이션을 제공합니다. 게티 이미지를 통한 PM 이미지 / 돌


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당신의 머리에 무선 핫스팟

추론 및 학습과 같은인지 기능은 시간 순서에 따라 여러 가지 고유 한 뇌 영역을 사용합니다. 뉴런과 신경 섬유 인 해부학만으로는 이러한 영역의 자극을 동시에 또는 동시에 설명 할 수 없습니다.

일부 연결은 실제로 "무선"입니다. 이것들은 전기 근거리 연결tractographs에서 캡처 한 물리적 연결이 아닙니다.

[받은 편지함에 전문 지식이 있습니다. The Conversation 뉴스 레터에 가입하고 매일 뉴스에 전문가가 참여하도록하십시오.]

저의 연구팀은 몇 년 동안 이 무선 연결의 기원 전계 강도 측정. 두뇌에서 일어나는 일에 대한 매우 간단한 비유는 무선 라우터의 작동 방식입니다. 인터넷은 유선 연결을 통해 라우터로 전달됩니다. 그런 다음 라우터는 무선 연결을 사용하여 정보를 랩톱으로 보냅니다. 전체 정보 전송 시스템은 유선 및 무선 연결로 인해 작동합니다.

해부학이 제안하는 것보다 뇌가 더 복잡한 방법 전기장은 Ranvier의 비 절연 노드에서 뉴런으로 유입 및 유출되는 하전 입자에서 비롯됩니다. Getty Images Plus를 통한 ttsz / iStock

뇌의 경우, 신경 세포는 세포체에서 다른 뉴런으로 축삭이라고 불리는 긴 실 모양의 팔로 전기 충격을 전달합니다. 그 과정에서 무선 신호는 자연적으로 신경 세포의 절연되지 않은 부분에서 방출됩니다. 축삭의 나머지 부분을 감싸는 보호 절연이 부족한 지점을 Ranvier의 노드.

Ranvier의 노드는 하전 된 이온이 뉴런 안팎으로 확산되어 전기 신호가 축삭 아래로 전파되도록합니다. 이온이 유입 및 유출 될 때 전기장이 생성됩니다. 이 분야의 강도와 구조는 신경 세포의 활동에 달려 있습니다.

여기에 신경 네트워크 글로벌 센터 우리는 이것들이 어떻게 무선 신호는 뇌에서 작동 정보를 전달합니다.

뇌의 비선형 세계

흥분된 뇌 영역이인지 기능과 어떻게 일치하는지에 대한 조사는 지나치게 단순한 모델로 이어지는 가정에 의존 할 때 또 다른 실수를합니다.

연구원들은 다음과 같이 관계를 모형화하는 경향이 있습니다. 단일 변수로 선형, 단일 뇌 영역의 반응의 평균 크기를 측정합니다. 그것은 뒤에 논리입니다 최초 보청기 설계 – 사람의 목소리가 두 배나 커지면 귀는 두 배나 반응해야합니다.

해부학이 제안하는 것보다 뇌가 더 복잡한 방법 보청기 사용자는 감각 입력을 두 배로 늘리는 것이 기본적인 수정 사항이라는 것을 알고 있습니다. Getty Images Plus를 통한 AndreyPopov / iStock

그러나 연구자들은 귀가 선형 시스템이 아니며 생성 된 사운드를 청취자의 능력에 맞추기 위해 비선형 압축 형태가 필요하다는 사실을 더 잘 이해하게되면서 보청기는 수년에 걸쳐 크게 개선되었습니다. 사실, 대부분 생물체는 자극에 선형, 일대일 방식으로 반응하는 감지 시스템이 없습니다..

선형 모델은 시스템에 대한 입력이 두 배가되면 해당 시스템의 출력도 두 배가된다고 가정합니다. 이는 단일 입력 값에 대해 많은 출력 값이 존재할 수있는 비선형 모델에는 해당되지 않습니다. 대부분의 과학자들은 신경 계산은 실제로 비선형 적입니다.

두뇌와 행동 사이의 연관성을 이해하는 데있어 중요한 질문은 두뇌가 경쟁 대안 중에서 최상의 행동 경로를 결정하는 방법입니다. 예를 들어, 뇌의 전두 피질은 많은 양 또는 변수 계산 – 시간과 노력의 관점에서 잠재적 인 보상, 성공 확률 및 비용을 계산합니다. 시스템이 비선형이기 때문에 잠재적 인 지불액을 두 배로 늘리면 최종 결정이 두 배 이상으로 이루어질 수 있습니다.

뇌를 통한 정보의 흐름은 2D 모델이 적절하게 표현할 수있는 것보다 훨씬 복잡하고 역동적입니다.

선형 모델은 뇌 기능에서 발생할 수있는 다양한 가능성, 특히 해부학 적 구조가 제안하는 것 이상의 가능성을 놓칩니다. 그것은 우리 주변 세계의 2D와 3D 표현의 차이와 같습니다.

현재 선형 모델은 뇌 영역의 평균 흥분 레벨 또는 뇌 표면의 흐름을 설명합니다. 그것은 동료들보다 훨씬 적은 정보이며, 향상된 기능적 자기 공명 영상과 전기 근거리 생체 영상 데이터로부터 비선형 모델을 구축 할 때 사용합니다. 당사의 모델은 뇌 표면과 뇌 내부의 깊이에 대한 정보 흐름의 3D 이미지를 제공하며 모든 작동 방식을보다 가깝게 표현할 수 있도록합니다.

해부학이 제안하는 것보다 뇌가 더 복잡한 방법 건강한 뇌는 기능적인 문제가있을 수 있습니다. 게티 이미지를 통한 과학 사진 라이브러리

정상적인 해부학, 생리 기능 장애

제 연구팀은 완전히 정상적인 뇌 구조를 가진 사람들이 여전히 중대한 기능적 문제를 겪을 수 있다는 사실에 흥미를 느낍니다.

신경 기능 장애에 대한 연구의 일환으로 호스피스, 사별 지원 그룹, 재활 치료 시설, 외상 센터 및 급성 치료 병원의 개인을 방문합니다. 우리는 사랑하는 사람을 잃은 사람들이 비슷한 증상을 보인다 알츠하이머 병으로 진단 된 환자에게.

슬픔은 죽음이나 다른 종류의 상실에 대한 일련의 정서적,인지 적, 기능적, 행동 적 반응입니다. 그것은 상태가 아니라 일시적이거나 지속적 일 수있는 프로세스입니다.

고통받는 사람들의 건강한 뇌 생리 슬픔 알츠하이머 병 환자에서 발견되는 뇌 영역 축소 및 뉴런 네트워크 간 연결 끊김을 포함하여 동일한 해부학 적 문제가 없습니다.

우리는 이것이 뇌의 핫스팟 (물리적이지 않은 연결)과 뇌의 비선형 작동이 풍부하여 뇌 스캔으로 예측할 수없는 결과를 가져올 수있는 방법의 한 예일 뿐이라고 생각합니다. 더 많은 예가있을 수 있습니다.

이러한 아이디어는 비 침습적 수단을 통해 심각한 신경 학적 상태를 완화시키는 방법을 제시 할 수 있습니다. 사별 치료 및 비 침습적 전기 근거리 신경 조절 장치 사랑하는 사람의 상실과 관련된 증상을 줄일 수 있습니다. 아마도 이러한 프로토콜과 절차는 영상화가 해부학 적 변화를 나타내는 신경 기능 장애로 고통받는 환자에게 더 광범위하게 제공되어야합니다. 침습 수술 절차에서 이들 중 일부를 구할 수 있습니다.

전기 근거리 매핑의 최근 발전을 사용하여 모든 뇌의 비 물리적 링크를 다이어그램으로 작성하고 생물학적으로 현실적으로 변하는 많은 비선형 모델을 사용하면 우리가 가고 싶은 곳으로 한 걸음 더 다가 갈 수 있습니다. 뇌를 더 잘 이해하면 기능을 교정하기위한 침습적 수술 절차의 필요성이 줄어들뿐만 아니라 뇌가 가장 잘하는 것, 즉 계산, 기억, 네트워킹 및 정보 분배에 대한 더 나은 모델로 이어질 것입니다.대화

저자에 관하여

Salvatore Domenic Morgera, Tau Beta Pi 저명한 엔지니어, 전기 공학 및 생명 공학 교수 사우스 플로리다 대학

이 기사는에서 다시 게시됩니다. 대화 크리에이티브 커먼즈 라이센스하에 읽기 원래 기사.


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