لا يزال العلماء يجمعون اللغز حول كيفية عمل الدماغ. Yuichiro Chino / Moment عبر Getty Images
كيف يعمل الدماغ يبقى لغزًا مع وجود بضع قطع فقط في المكان. قطعة واحدة كبيرة هي في الواقع تخمين: أن هناك علاقة بين التركيب المادي للدماغ ووظائفه.
تتضمن وظائف الدماغ تفسير اللمس ، والمدخلات المرئية والصوتية ، بالإضافة إلى الكلام ، والتفكير ، والعواطف ، والتعلم ، والتحكم الدقيق في الحركة وغيرها الكثير. يفترض علماء الأعصاب أن تشريح الدماغ - بمئات المليارات من الألياف العصبية - هو الذي يجعل كل هذه الوظائف ممكنة. ترتبط "الأسلاك الحية" للدماغ بشبكات عصبية متقنة تؤدي إلى ظهور قدرات مذهلة للإنسان.
يبدو أنه إذا تمكن العلماء من رسم خريطة للألياف العصبية واتصالاتها وتسجيل توقيت النبضات التي تتدفق من خلالها من أجل وظيفة أعلى مثل الرؤية ، فيجب أن يكونوا قادرين على حل مسألة كيف يرى المرء ، على سبيل المثال. يتحسن الباحثون في رسم خرائط الدماغ باستخدام المسالك البولية - تقنية تمثل بصريًا مسارات الألياف العصبية باستخدام النمذجة ثلاثية الأبعاد. وهم يتحسنون في تسجيل كيفية تحرك المعلومات عبر الدماغ باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المحسن لقياس تدفق الدم.
ولكن على الرغم من هذه الأدوات ، لا يبدو أحد أقرب كثيرًا إلى اكتشافها كيف نرى حقا. علم الأعصاب لديه فقط فهم بدائي لكيفية تناسبه معًا.
لمعالجة هذا القصور ، أبحاث الهندسة الحيوية الخاصة بفريقي يركز على العلاقات بين بنية الدماغ ووظيفته. الهدف العام هو شرح جميع الاتصالات علميا - التشريحية واللاسلكية - التي تنشط مناطق الدماغ المختلفة أثناء المهام المعرفية. نحن نعمل على نماذج معقدة تستوعب بشكل أفضل ما يعرفه العلماء عن وظائف الدماغ.
في نهاية المطاف ، قد تؤدي صورة أوضح للهيكل والوظيفة إلى تحسين الطرق التي تحاول بها جراحة الدماغ تصحيح البنية ، وعلى العكس من ذلك ، يحاول الدواء تصحيح الوظيفة.
توفر التوصيلات الكهربائية القريبة من الميدان مستوى آخر من التواصل داخل الدماغ. PM Images / Stone عبر Getty Images
النقاط الساخنة اللاسلكية في رأسك
تستخدم الوظائف المعرفية مثل التفكير والتعلم عددًا من مناطق الدماغ المتميزة بطريقة تسلسل زمني. التشريح وحده - الخلايا العصبية والألياف العصبية - لا يمكنه تفسير إثارة هذه المناطق بشكل متزامن أو ترادفي.
بعض الاتصالات في الواقع "لاسلكية". هؤلاء هم التوصيلات الكهربائية القريبة من المجال، وليس الروابط المادية التي تم التقاطها في المسجلات.
[خبرة في بريدك الوارد. اشترك في النشرة الإخبارية للمحادثة واحصل على أخبار الخبراء اليوم ، كل يوم.]
لقد عمل فريق البحث الخاص بي لعدة سنوات بالتفصيل أصول هذه الاتصالات اللاسلكية وقياس شدة المجال. تشبيه بسيط للغاية لما يدور في الدماغ هو كيفية عمل جهاز التوجيه اللاسلكي. يتم توصيل الإنترنت إلى جهاز توجيه عبر اتصال سلكي. ثم يقوم جهاز التوجيه بإرسال المعلومات إلى الكمبيوتر المحمول باستخدام اتصالات لاسلكية. يعمل النظام العام لنقل المعلومات بسبب كل من الاتصالات السلكية واللاسلكية.
تنبع المجالات الكهربائية من الجزيئات المشحونة التي تتدفق من وإلى الخلايا العصبية في العقد غير المعزولة في رانفييه. ttsz / iStock عبر Getty Images Plus
في حالة الدماغ ، تقوم الخلايا العصبية بتوصيل نبضات كهربائية أسفل أذرع طويلة تشبه الخيوط تسمى محاور عصبية من جسم الخلية إلى عصبونات أخرى. على طول الطريق ، تنبعث الإشارات اللاسلكية بشكل طبيعي من أجزاء غير معزولة من الخلايا العصبية. تسمى هذه البقع التي تفتقر إلى العزل الواقي الذي يلف بقية المحوار العقد رانفييه.
تسمح عُقد رانفييه للأيونات المشحونة بالانتشار داخل وخارج العصبون ، مما يؤدي إلى انتشار الإشارة الكهربائية أسفل المحور العصبي. مع تدفق الأيونات إلى الداخل والخارج ، يتم إنشاء الحقول الكهربائية. تعتمد كثافة هذه الحقول وبنيتها على نشاط الخلية العصبية.
هنا في المركز العالمي للشبكات العصبية نحن نركز على كيفية ذلك تعمل الإشارات اللاسلكية في الدماغ لتوصيل المعلومات.
عالم الدماغ غير الخطي
تؤدي التحقيقات في كيفية تطابق مناطق الدماغ المتحمسة مع الوظائف المعرفية إلى ارتكاب خطأ آخر عندما تعتمد على افتراضات تؤدي إلى نماذج بسيطة للغاية.
يميل الباحثون إلى نمذجة العلاقة على أنها خطي بمتغير واحد، بقياس متوسط حجم استجابة منطقة الدماغ الواحدة. إنه المنطق وراء تصميم السمع الأول - إذا نما صوت الشخص مرتين بصوت عالٍ ، فيجب أن تستجيب الأذن مرتين.
يعرف مستخدمو أجهزة السمع أن مضاعفة المدخلات الحسية مجرد حل بدائي. AndreyPopov / iStock عبر Getty Images Plus
لكن المعينات السمعية قد تحسنت بشكل كبير على مر السنين حيث أصبح الباحثون يفهمون بشكل أفضل أن الأذن ليست نظامًا خطيًا ، وهناك حاجة إلى شكل من الضغط غير الخطي لمطابقة الأصوات التي تم إنشاؤها لقدرة المستمع. في الواقع ، معظمهم لا تحتوي الكائنات الحية على أنظمة استشعار تستجيب بطريقة خطية لواحد مع المنبهات.
تفترض النماذج الخطية أنه إذا تمت مضاعفة المدخلات إلى النظام ، فسيتم مضاعفة ناتج هذا النظام أيضًا. هذا لا ينطبق على النماذج غير الخطية ، حيث يمكن أن توجد العديد من قيم المخرجات لقيمة واحدة للمدخلات. ويتفق معظم العلماء على ذلك الحسابات العصبية هي في الواقع غير خطية.
السؤال الحاسم في فهم العلاقة بين الدماغ والسلوك هو كيف يقرر الدماغ أفضل مسار للعمل بين البدائل المتنافسة. على سبيل المثال ، القشرة الأمامية للدماغ تتخذ الخيارات المثلى من قبل حساب العديد من الكميات أو المتغيرات - حساب العائد المحتمل واحتمال النجاح والتكلفة من حيث الوقت والجهد. نظرًا لأن النظام غير خطي ، فإن مضاعفة العائد المحتمل قد يتخذ قرارًا نهائيًا بأكثر من الضعف.
{vembed V = 394259925} تدفق المعلومات عبر الدماغ أكثر تعقيدًا وديناميكية مما يمكن أن يمثله نموذج ثنائي الأبعاد بشكل كاف.
تفوت النماذج الخطية مجموعة متنوعة غنية من الاحتمالات التي يمكن أن تحدث في وظيفة الدماغ ، وخاصة تلك التي تتجاوز ما يوحي به الهيكل التشريحي. إنه مثل الفرق بين تمثيل ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد للعالم من حولنا.
تصف النماذج الخطية الحالية فقط متوسط مستوى الإثارة في منطقة الدماغ ، أو التدفق عبر سطح الدماغ. هذه معلومات أقل بكثير من زملائي وأنا أستخدمها عند بناء نماذجنا غير الخطية من كل من التصوير بالرنين المغناطيسي المحسن وبيانات التصوير البيولوجي القريبة من الحقل. توفر نماذجنا صورة ثلاثية الأبعاد لتدفق المعلومات عبر أسطح الدماغ والأعماق الموجودة داخله - وتقربنا أكثر من تمثيل كيفية عمل كل شيء.
يمكن للدماغ ذو المظهر الصحي أن يعاني من مشاكل وظيفية. مكتبة صور العلوم عبر Getty Images
تشريح طبيعي ، خلل فيزيولوجي
إن فريق البحث لدي مفتون بحقيقة أن الأشخاص الذين لديهم بنية دماغية طبيعية تمامًا لا يزالون يعانون من مشاكل وظيفية كبيرة.
كجزء من بحثنا في الاختلال العصبي ، نزور الأفراد في المستشفيات ، ومجموعات دعم الوفاة ، ومرافق رعاية إعادة التأهيل ، ومراكز الصدمات ، ومستشفيات الرعاية الحادة. لقد أذهلنا باستمرار أن ندرك أن الأشخاص الذين فقدوا أحباءهم يمكنهم ذلك تظهر أعراض مشابهة إلى مرضى الزهايمر.
الحزن هو سلسلة من الاستجابات العاطفية والمعرفية والوظيفية والسلوكية للموت أو أنواع أخرى من الخسارة. إنها ليست دولة ، بل هي عملية يمكن أن تكون مؤقتة أو مستمرة.
العقول ذات المظهر الصحي لأولئك الذين يعانون الحزن الفسيولوجي ليس لديهم نفس المشاكل التشريحية - بما في ذلك تقلص مناطق الدماغ والصلات المتقطعة بين شبكات الخلايا العصبية - الموجودة في الأشخاص المصابين بمرض الزهايمر.
نعتقد أن هذا مجرد مثال واحد على كيف أن النقاط الساخنة في الدماغ - تلك الروابط غير المادية - بالإضافة إلى ثراء العملية الدماغية غير الخطية يمكن أن تؤدي إلى نتائج لا يمكن التنبؤ بها عن طريق مسح الدماغ. من المحتمل أن يكون هناك العديد من الأمثلة.
قد تشير هذه الأفكار الطريق إلى التخفيف من الحالات العصبية الخطيرة من خلال وسائل غير جراحية. علاج الفجيعة وأجهزة التعديل العصبي الكهربائية غير الباضعة يمكن أن يقلل من الأعراض المرتبطة بفقدان أحد أفراد أسرته. ربما يجب تقديم هذه البروتوكولات والإجراءات على نطاق أوسع للمرضى الذين يعانون من خلل وظيفي عصبي حيث يكشف التصوير عن تغييرات تشريحية. يمكن أن ينقذ بعض هؤلاء الأفراد من العمليات الجراحية الغازية.
إن رسم جميع الروابط الدماغية غير المادية باستخدام التطورات الحديثة في رسم الخرائط الكهربائية القريبة من الميدان ، وتوظيف ما نعتقد أنه نماذج بيولوجية غير خطية متعددة المتغيرات ، سيجعلنا أقرب خطوة إلى حيث نريد أن نذهب. إن الفهم الأفضل للدماغ لن يقلل فقط من الحاجة إلى إجراءات تشغيل جراحية لتصحيح الوظيفة ، ولكنه سيؤدي أيضًا إلى نماذج أفضل لما يفعله الدماغ بشكل أفضل: الحوسبة والذاكرة والشبكات وتوزيع المعلومات.
نبذة عن الكاتب
سالفاتور دومينيك مورجيرا ، أستاذ الهندسة الكهربائية والهندسة الحيوية ، Tau Beta Pi مهندس بارز ، جامعة جنوب فلوريدا
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.
كتب ذات صلة:
الجسم يحافظ على النتيجة: العقل والجسم في شفاء الصدمة
بقلم بيسيل فان دير كولك
يستكشف هذا الكتاب الروابط بين الصدمة والصحة البدنية والعقلية ، ويقدم رؤى واستراتيجيات للشفاء والتعافي.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
التنفس: العلم الجديد لفن ضائع
بواسطة جيمس نيستور
يستكشف هذا الكتاب علم وممارسة التنفس ، ويقدم رؤى وتقنيات لتحسين الصحة البدنية والعقلية.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
مفارقة النبات: الأخطار الخفية في الأطعمة "الصحية" التي تسبب المرض وزيادة الوزن
بواسطة ستيفن ر
يستكشف هذا الكتاب الروابط بين النظام الغذائي والصحة والمرض ، ويقدم رؤى واستراتيجيات لتحسين الصحة والعافية بشكل عام.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
قانون المناعة: النموذج الجديد للصحة الحقيقية ومكافحة الشيخوخة الجذرية
بواسطة جويل جرين
يقدم هذا الكتاب منظورًا جديدًا للصحة والمناعة ، بالاعتماد على مبادئ علم التخلق ويقدم رؤى واستراتيجيات لتحسين الصحة والشيخوخة.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
الدليل الكامل للصيام: اشفي جسدك بالصيام المتقطع ، والصيام المتناوب ، والممتد
بقلم الدكتور جيسون فونج وجيمي مور
يستكشف هذا الكتاب علم وممارسة الصيام ويقدم رؤى واستراتيجيات لتحسين الصحة والعافية بشكل عام.
