뇌가 어떻게 수십억 개의 신경 신호를 감지합니까?

뇌가 어떻게 수십억 개의 신경 신호를 감지합니까? 당신의 뇌는 동시에 여러 오케스트라 정보를 수행하고 있습니다. 계몽 된 오디오, CC BY

인간의 뇌는 수억 억의 신경 신호 매초 매우 복잡한 업적입니다.

건강한 두뇌는 엄청난 수의 올바른 연결을 설정하고 정보 전송의 전체 기간에 대해 정확한 상태를 유지해야합니다. 즉, "두뇌 시간"은 꽤 오래 걸릴 수 있습니다.

각 신호는 의도 한 목적지로 어떻게 이동합니까?

뇌에 대한 도전은 시끄러운 칵테일 파티에서 대화를 시도 할 때 직면하는 것과 유사합니다. 대화하고있는 사람에게 집중하고 다른 토론을“음소거”할 수 있습니다. 이 현상은 선택적 청각입니다. 칵테일 파티 효과.

크고 혼잡 한 파티의 모든 사람들이 거의 같은 소리로 대화 할 때, 상대방과 대화하는 사람의 평균 사운드 레벨은 다른 모든 파티의 채팅 자의 평균 레벨과 거의 같습니다. 위성 TV 시스템 인 경우 원하는 신호와 배경 소음의 균형이 거의 같으면 수신 성능이 떨어집니다. 그럼에도 불구하고,이 균형은 분주 한 파티에서의 대화를 이해하기에 충분합니다.

인간의 두뇌는 수십억 개의 지속적인 "대화"를 구별하고 전달을 위해 특정 신호에 고정하는 방식으로 어떻게합니까?

우리 팀의 연구 뇌의 신경 네트워크에 중요한 생물학적 배경 소음이있을 때 신뢰할 수있는 연결을 설정하는 능력을 지원하는 두 가지 활동이 있음을 보여줍니다. 뇌의 메커니즘은 상당히 복잡하지만이 두 가지 활동은 전기 기술자가 일치하는 필터 -고성능 무선 시스템에 사용되며 현재 존재하는 것으로 알려진 처리 요소.


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조화롭게 노래하는 뉴런

인간의 뇌에서 수억 억 개의 신경 섬유 중 하나에 만 초점을 맞추고, 그 중 많은 부분이 특정 시점에서 일반적으로 활성화됩니다. 그들은 모두 방향,주의, 기억, 문제 해결 및 집행 기능과 같은 능력을 지원하는 인간이 성공적으로 기능하고 서로 의미있게 상호 작용할 수있는 사고 과정을 수행하기 위해 자신의 역할을 수행하고 있습니다.

저의 연구팀은 생물학적 뇌 활동을 인간의 가청 범위로 변환하는 모델을 개발했습니다. 뇌를들을 수있다 직장에서. 이상적인 무소음 환경에서 신호를 전송하는 단일 신경 섬유는 다음과 같습니다.

단일 신경 섬유의 활동은 인간의 가청 범위로 변환됩니다. 저자 제공 (재사용 불가)119 KB (다운로드)

이 선택된 신경 섬유가 뇌의 다른 곳의 목표 목적지로 신호를 전송하면 다른 모든 활성 섬유의 활동으로 인한 배경 소음에 대비합니다. 두뇌의 칵테일 파티에 잠긴 같은 섬유의 소리는 다음과 같습니다.

뇌에서 일어나는 다른 모든 것의 배경에 대한 단일 신경 섬유의 활동. 저자 제공 (재사용 불가)119 KB (다운로드)

뇌의 배경 소음은 우리가 선택한 신경 섬유 주변의 다른 신경 섬유의 작은 집단을 자극하여 동기화 거의 같은 메시지를 전송합니다. 이 동기화는 노이즈의 영향을 줄이고 신호의 선명도를 향상시킵니다.

그것은 일을하지만 완벽하지는 않습니다. 많은 목소리가 조화롭게 노래하는 것과 비슷합니다. 각 음색은 각 순간마다 고유 한 주파수로 사운드를 투사하며 수많은 음색의 합이 각 개별 음색의 주파수 범위를 확장합니다. 한 부분의 솔로이스트 노래와는 반대로 음악 홀에 노래로 채워지는 코러스를 생각해보십시오. 이 전략은 주파수 내용을 풍부하게하고 전송 된 신호의 레벨을 높이며 수신 품질을 향상시킵니다.

과학자들은이 현상을 물리적으로 분리 된 신경 섬유 하위 시스템 간의 관계 또는 결합의 출현으로 설명합니다. 더 크고 역동적 인 시스템을 만듭니다. 이 아이디어는 350 세의 미스터리와 크게 다르지 않으며 마침내 해결되었습니다. 진자 시계 동일한 벽에 장착되어지지 빔에 가해지는 작은 물리적 힘을 통해 동기화됩니다.

내 동료들과 나는“동기화”할 수있는 이와 동일한 능력이 다발성 경화증. 이것은 두피의 표면에 비 침습성 신경 조절 장치를 사용하여 뇌 영역에 작은 비 물리적 맞춤형 전기 장력을 제공함으로써 달성 될 수있다 질병의 영향을 받음. 비 침습적으로 환자의 뇌 신호를 변경함으로써, 이러한 전계 힘은 정보 전달을위한보다 건강한 신경 네트워크 환경을 만들 것입니다.

뇌가 어떻게 수십억 개의 신경 신호를 감지합니까? 밴드의 드럼과 마찬가지로 뇌파는 '비트를 유지'하는 데 도움이됩니다. 조쉬 소렌슨, CC BY

드럼을 굴리는 두뇌

두뇌가 신호 혼란을 극복하는 두 번째 방법은 신경 과학자가 전달 키라고하는 것입니다. 그 역할은 뇌의 자연스러운 리듬, 널리 알려진 뇌파.

이러한 뇌 리듬은 특정 패턴으로 발화하는 신경 세포에 의해 생성되어 초당 약 0.5에서 140주기에 이르는 매우 낮은 주파수에서 전기적 활동의 파동을 일으 킵니다. 이에 비해 스마트 폰은 초당 약 5,000,000,000 주기로 작동합니다. 뇌의 시끄러운 환경에서 목적지로 신호를 전달하는 데 도움이되는 파동은 알 파파, 초당 8 ~ 13주기 또는 베타 파동, 초당 13 ~ 32주기 인 것으로 보입니다.

우리 실험실에서는이 두 번째 활동을 "드럼 연주"와 같이 언급합니다. 뇌파 주파수는 군대, 록, 팝, 재즈 및 전통 오케스트라에서 시간을 표시하거나 유지하는 데 사용되는 서브베이스 또는베이스 드럼의 주파수와 유사합니다. 음악.

이 저주파수 리듬은 전송 주파수에 추가 주파수로 영향을주는 전달 키 역할을합니다. 어떻게 그런지 GPS 신호 통신 네트워크를 동기화합니다. 뇌파 신호 또는 전달 키가 초당 10 사이클이라고 가정하십시오. 한주기의 지속 시간은 10 분의 1 초이므로 전달 키는 1/10 초마다 수신 지점에서 시간 마커를 제공합니다.

이 시간 마커는 전송 된 신호를 정확하게 수신하는 데 매우 유용합니다. 결정적으로이 전달 키는 의도 된 수신 지점에서 잠금을 열거 나 활성화합니다. 아이디어는 암호를 사용하여 특정 콘텐츠에 액세스하는 것과 크게 다르지 않습니다.

신경 과학자들은 전달 키의 선택이 개인의 상태에 따라. 예를 들어, 알파 파는 눈을 감고 깨어있는 휴식과 관련이 있습니다. 베타 파는 정상적인 깨어있는 의식과 집중력과 관련이 있습니다.

과학자들은 각 전달 키 또는 뇌 리듬과 관련된 것이 개인의 상태와 일치하는인지 기능의 목록이라고 가정합니다. 예를 들어, 10 사이클 / 초의 알 파파 뇌 리듬에 전송 된 신호에는 이미 깨어있는 휴식에 대한 정보가 인코딩되어 있습니다.

전기 활동의 뇌파는 거의 100 년 전에 식별 됨연구원들은 행동과 뇌 기능에서의 역할과 역할에 대해 끊임없이 배우고 있습니다.

뇌가 어떻게 수십억 개의 신경 신호를 감지합니까? 통신 시스템을 개선하기 위해 연구자들은 뇌의 작동 방식을 배울 수 있습니다. 마리오 카루소 / 스플래쉬, CC BY

두뇌에 구축 된 시스템 모델링

신경 네트워크에 대한 나의 실험실의 연구는 인간의 뇌를 이해하고 다양한 신경 기능 장애에 대한 비 침습적 진단 절차와 치료법을 개발할뿐만 아니라 통신, 네트워킹, 사이버 보안, 인공 지능 및 로봇 공학을위한 개선 된 시스템을 설계하는 데 영향을 미칩니다.

예를 들어, 인간의 두뇌는 훨씬 더 진보 된 통신 네트워크 시스템 설계가 가능하다는 것을 보여줍니다. 5G 셀룰러 네트워크 평방 마일에 약 1 백만 개의 기기를 제공 할 수 있기를 바랍니다. 대조적으로, 인간의 뇌는 뇌 조직의 입방 인치.

오늘날의 통신 네트워크 시스템 설계는 본질적으로 전기 및 컴퓨터 공학이라는 하나의 원칙의 원칙을 따르기 때문에 제한됩니다. 전기 통신 네트워크의 링크와 같은 뇌의 가장 간단한 회로조차도 신경 섬유는 생물학, 화학 공학, 기계 공학 및 전기 및 컴퓨터 공학의 결합 원리에 따라 매우 복잡한 방식으로 작동합니다.

인간의 두뇌와 유사한 기능을 갖춘 시스템을 설계하려면 연구 그룹 (의학, 생명 과학, 공학 및 고급 재료 전문가로 구성된 팀)에 반영된 훨씬 더 다양한 분야의 접근 방식이 필요합니다. 연구 파트너.

저자에 관하여

살바토레 도메 니크 모 게라전기 공학 및 생명 공학 교수 사우스 플로리다 대학

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

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