Newly Discovered Spirals Of Brain Activity May Help Explain Cognition

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Recent m-am cocoțat pe marginea unei stânci la Prapastie Asuable, uitându-se la apa albă la peste 100 de picioare mai jos. Apa s-a repezit prin stânci de gresie înainte de a lovi o pauză naturală și de a se învârti înapoi pe ea însăși, formând mai multe vârtejuri hipnotice. De-a lungul mileniilor, aceste ape au sculptat zidurile magnifice de piatră care căptușesc prăpastia, susținând un ecosistem vibrant.

Creierul poate face același lucru pentru cunoaștere.

Știm că diferitele regiuni ale creierului își coordonează în mod constant tiparele de activitate, rezultând valuri care se unduiesc în creier. Diferite tipuri de unde corespund unor stări mentale și cognitive diferite.

Aceasta este o idee despre modul în care creierul se organizează pentru a ne susține gândurile, sentimentele și emoțiile. Dar dacă dinamica de procesare a informațiilor a creierului este ca undele, ce se întâmplă atunci când există turbulențe?

De fapt, creierul experimentează echivalentul „uraganelor” neuronale. Se ciocnesc unul de altul și, atunci când o fac, calculele rezultate se corelează cu cogniția.

Aceste constatări provin de la a studiu unic in Natura Comportamentul uman care face legătura între neuroștiință și dinamica fluidelor pentru a despacheta funcționarea interioară a minții umane.

Multiple spirale care interacționează organizează fluxul activității creierului. Credit imagine: Gong și colab.

Echipa a analizat 100 de scanări ale creierului colectate de la Proiectul Human Connectome folosind metode rezervate de obicei pentru observarea tiparelor de curgere a apei în fizică. Căsătoria neconvențională a câmpurilor a dat roade: ei au găsit un model misterios de activitate a undelor în spirală în creier în timp ce se aflau în repaus și în timpul sarcinilor mentale provocatoare.

Spiralele creierului au crescut adesea din regiuni selectate care unesc rețelele neuronale locale adiacente. În cele din urmă, ele se propagă prin cortex - regiunea încrețită, cea mai exterioară a creierului.

Adesea numit „sediul inteligenței”, cortexul este un multitasker. Regiunile dedicate ne procesează simțurile. Alții împletesc experiențe noi cu amintiri și emoții și, la rândul lor, formează deciziile care ne ajută să ne adaptăm la o lume în continuă schimbare.

Pentru ca cortexul să funcționeze corect, comunicarea între fiecare regiune este esențială. Într-o serie de teste, spiralele creierului par a fi mesagerul, organizând rețelele neuronale locale de-a lungul cortexului într-un procesor de calcul coerent. De asemenea, sunt dedicați unei anumite sarcini cognitive. De exemplu, atunci când cineva asculta o poveste – în comparație cu rezolvarea problemelor de matematică – vârtejurile au început în diferite regiuni ale creierului și și-au creat propriile modele de rotație, o amprentă cognitivă.

Analizând aceste amprente de unde spiralate, echipa a descoperit că ar putea clasifica diferite etape ale procesării cognitive folosind doar imagini ale creierului.

Găsirea turbulențelor în creier este un alt pas către înțelegerea modului în care funcționează computerul nostru biologic și ar putea inspira crearea viitoarelor mașini bazate pe creier.

„Prin dezvăluirea misterelor activității creierului și descoperirea mecanismelor care guvernează coordonarea acestuia, ne apropiem de deblocarea întregului potențial de înțelegere a cunoașterii și a funcției creierului.” a spus autorul studiului Dr. Pulin Gong de la Universitatea din Sydney.

Nu vei fi vecinul meu?

Un mister fundamental al creierului este modul în care sclipirile electrice din neuroni se traduc în gânduri, raționament, amintiri și chiar conștiință.

Pentru a dezlega totul, trebuie să urcăm piramida procesării neuronale.

Începând de jos: neuronii. Pentru a fi corect, sunt incredibil de sofisticați mini-calculatoare pe cont propriu. Sunt, de asemenea, cu adevărat băgacioase. Ei discută constant cu vecinii lor folosind o varietate de semnale chimice, numite neurotransmițători. S-ar putea să fi auzit de unele: dopamină, serotonina și chiar hormoni.

Între timp, neuronii procesează bârfele locale – purtate de impulsuri electrice – și își schimbă comportamentul în funcție de ceea ce aud. Unele relații se întăresc. Alții se sparg. În acest fel, creierul formează rețele neuronale locale pentru a sprijini funcții precum, de exemplu, procesarea vizuală.

„Cercetarea activității creierului a făcut progrese substanțiale în înțelegerea circuitelor neuronale locale”, a spus echipa scris.

Ceea ce lipsește este imaginea de ansamblu. Imaginați-vă că vă micșorați din cartierul local către întreaga lume. Datorită unui boom în neurotehnologie, oamenii de știință au reușit să înregistreze din regiuni din ce în ce mai vaste ale creierului. Săpând în toate aceste date noi, studii anterioare au găsit mai multe rețele locale care contribuie la diferite comportamente.

Cu toate acestea, multe dintre aceste informații despre organizarea creierului s-au concentrat pe neuronii care comunică într-un model liniar, cum ar fi zapping-ul de date de-a lungul firelor optice submarine. Pentru a ne extinde vederea, trebuie să căutăm și modele 3D mai complexe, de exemplu, spirale sau vârtejuri.

În urmă cu aproximativ doi ani, echipa a folosit o resursă importantă în căutarea turbulenței activității creierului: date funcționale RMN, care acoperă întreg cortexul, de la Proiectul Human Connectome (HCP). Lansat în 2009, proiectul a dezvoltat mai multe instrumente pentru a mapa creierul uman la o scară fără precedent și a generat o bază de date masivă pentru cercetători. Hărțile nu acoperă doar structura creierului - multe au documentat și activitatea creierului în timp ce participanții se implicau în diferite sarcini cognitive.

Aici, echipa a selectat imagini ale creierului din o secțiune de date HCP. Acest set de date a ilustrat conectivitatea și funcționarea creierului la 1,200 de adulți mai tineri sănătoși, cu vârste cuprinse între 22 și 35 de ani, în timp ce aceștia erau în repaus sau erau provocați cu sarcini mentale multiple.

Ei s-au concentrat pe imagini ale creierului de la 3 cohorte de 100 de persoane fiecare. O cohortă era formată din oameni complet relaxați. Altul a fost provocat cu o sarcină de limbă și matematică. Cohorta finală și-a flexibilizat memoria de lucru – adică li sa cerut să folosească blocul de schițe mental pe care îl folosim pentru a coordona informații noi și a decide care ar trebui să fie următoarea noastră acțiune.

Cu instrumente matematice utilizate în general pentru a decripta fluxurile turbulente, echipa a analizat datele RMN pentru modele care corespund cunoașterii - în acest caz, matematică, limbaj și memoria de lucru.

Pe scurt, analizele au indicat „ochiul furtunii” și au prezis cât de repede și lat se vor răspândi vârtejele neuronale de acolo. Ei s-au mutat și au interacționat „într-un mod intrigant, ceea ce a fost foarte interesant”, a spus echipa.

Spiralele, ca uraganele, au sărit peste cortex în timp ce se roteau în jurul unor centre stabilite – numită „singularitate de fază”. Modelul este surprinzător de similar cu alte sisteme dinamice din fizică și biologie, cum ar fi turbulența, au spus ei.

[Conținutul încorporat]

Un mister în spirală

De ce și cum apar aceste spirale? Echipa nu are încă toate răspunsurile. Dar săpând mai adânc, ei au descoperit că semințele acestor spirale înfloresc din granițele dintre rețelele neuronale funcționale. Echipa crede că aceste forme de răsucire ar putea fi esențiale pentru „coordonarea eficientă a fluxului de activitate între aceste rețele prin mișcarea lor de rotație”.

Spiralele se rotesc și interacționează în funcție de sarcina cognitivă la îndemână. De asemenea, ei tind să se învârtească și să se răspândească în regiuni ale creierului numite „centri ale creierului”, cum ar fi părțile frontale ale creierului sau cele legate de senzațiile de integrare.

Dar interacțiunile lor sunt deosebit de captivante. Pe baza fizicii turbulențelor, spiralele creierului care se ciocnesc una de alta transportă o cantitate mare de informații. Aceste unde captează date în spațiu și timp și propagă informațiile pe suprafața neuronilor vii în unde neliniare.

„Interacțiunile complicate dintre multiple spirale coexistente ar putea permite efectuarea calculelor neuronale într-o manieră distribuită și paralelă, ceea ce duce la o eficiență computațională remarcabilă”, a spus Gong.

Pentru dr. Kentaroh Takagaki de la Universitatea Tokushima, care nu a fost implicat în studiu, „rezultatele prezintă un contrapunct puternic față de viziunea stabilită” despre procesarea informațiilor în cortex.

Deocamdată, spiralele creierului rămân destul de misterioase. Dar cu mai multă muncă, ei ar putea oferi informații despre demență, epilepsie și alte tulburări neurologice dificile.

Credit imagine: Mitul Grover / Unsplash