Como os cérebros sintonizam um sinal neural de bilhões?

Como os cérebros sintonizam um sinal neural de bilhões?
Seu cérebro está conduzindo várias orquestras de informações ao mesmo tempo. Áudio iluminado, CC BY

O cérebro humano envia centenas de bilhões de sinais neurais cada segundo. É um feito extraordinariamente complexo.

Um cérebro saudável deve estabelecer um número enorme de conexões corretas e garantir que elas permaneçam precisas durante todo o período da transferência de informações - isso pode levar segundos, o que no "tempo do cérebro" é bastante longo.

Como cada sinal chega ao destino pretendido?

O desafio para o seu cérebro é semelhante ao que você enfrenta ao tentar conversar em uma festa barulhenta. Você é capaz de se concentrar na pessoa com quem está falando e "silenciar" as outras discussões. Esse fenômeno é a audição seletiva - o que é chamado de efeito coquetel.

Quando todos em uma festa grande e cheia de gente conversam com a mesma intensidade, o nível de som médio da pessoa com quem você está falando é quase igual ao nível médio de todas as conversas dos outros participantes. Se fosse um sistema de TV via satélite, esse equilíbrio aproximadamente igual entre o sinal desejado e o ruído de fundo resultaria em má recepção. No entanto, esse equilíbrio é bom o suficiente para permitir que você entenda a conversa em uma festa movimentada.

Como o cérebro humano faz isso, distinguindo entre bilhões de "conversas" em andamento e bloqueando um sinal específico para a entrega?

Pesquisa da minha equipe nas redes neurológicas do cérebro mostra que há duas atividades que apóiam sua capacidade de estabelecer conexões confiáveis ​​na presença de ruído de fundo biológico significativo. Embora os mecanismos do cérebro sejam bastante complexos, essas duas atividades agem como o que um engenheiro elétrico chama de filtro combinado - um elemento de processamento usado em sistemas de rádio de alto desempenho e agora conhecido por existir na natureza.


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Neurônios cantando em harmonia

Vamos dedicar um momento para focar em apenas uma das centenas de bilhões de fibras nervosas no cérebro humano, das quais muitas são tipicamente ativas em um dado momento. Todos estão fazendo sua parte para realizar processos de pensamento que permitem que os humanos funcionem com sucesso e interajam de maneira significativa uns com os outros - apoiando habilidades como orientação, atenção, memória, resolução de problemas e função executiva.

Minha equipe de pesquisa desenvolveu um modelo que traduz a atividade biológica do cérebro para a faixa audível humana. pode ouvir o cérebro no trabalho. Aqui está o que uma única fibra nervosa que transmite seu sinal soa em um ambiente ideal e sem ruído:

A atividade de uma única fibra nervosa traduzida para a faixa audível humana. Autor fornecido (sem reutilização)119 KB (Download)

Quando essa fibra nervosa escolhida transmite um sinal para seu destino-alvo em outras partes do cérebro, ela enfrenta o ruído de fundo causado pela atividade de todas as outras fibras ativas. Aqui está o som dessa mesma fibra agora imersa na festa do cérebro:

A atividade de uma única fibra nervosa, no contexto de tudo o mais acontecendo no cérebro. Autor fornecido (sem reutilização)119 KB (Download)

O ruído de fundo no cérebro estimula uma pequena população de outras fibras nervosas ao redor da fibra nervosa escolhida para sincronizar e transmitir aproximadamente a mesma mensagem. Essa sincronização reduz o efeito do ruído e melhora a clareza do sinal.

Ele faz o trabalho, mas não é perfeito. É semelhante a muitas vozes cantando em harmonia. Cada voz projeta o som em suas frequências únicas a cada momento, com a soma total da multidão de vozes estendendo a faixa de frequência de cada voz individual. Pense em um coro enchendo uma sala de música com sua música, em vez de um solista cantando apenas uma parte. Essa estratégia enriquece o conteúdo da frequência, aumenta o nível do sinal transmitido e aumenta a qualidade da recepção.

Os cientistas descrevem esse fenômeno como o surgimento de um relacionamento, ou acoplamento, entre subsistemas fisicamente separados de fibras nervosas. Cria um sistema maior e dinâmico. A idéia não é tão diferente do mistério de um ano de 350, finalmente resolvido, de como relógios de pêndulo montados na mesma parede sincronizam-se através de pequenas forças físicas exercidas na viga de suporte.

Meus colegas e eu acreditamos que essa mesma capacidade de "sincronizar" pode levar à descoberta de tratamentos terapêuticos não invasivos para distúrbios neurológicos, como esclerose múltipla. Isso pode ser conseguido usando um dispositivo neuromodulador não invasivo na superfície do couro cabeludo para fornecer pequenas forças de campo elétrico personalizadas, não físicas, para a região do cérebro afetado pela doença. Alterando de forma não invasiva os sinais cerebrais do paciente, essas forças do campo elétrico criariam um ambiente de rede neurológica mais saudável para a transferência de informações.

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Como a bateria de uma banda, as ondas cerebrais ajudam a 'manter o ritmo'.
Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Cérebros rolando os tambores

A segunda maneira pela qual o cérebro atravessa a confusão de sinais é o que os neurocientistas chamam de chave de entrega. É o papel desempenhado pelo ritmos naturais do cérebro, popularmente conhecido como ondas cerebrais.

Esses ritmos cerebrais são criados por células nervosas que disparam em padrões específicos, causando ondas de atividade elétrica em certas frequências muito baixas, variando entre os ciclos 0.5 e 140 por segundo. Em comparação, os smartphones operam em torno dos ciclos 5,000,000,000 por segundo. As ondas que ajudam a enviar um sinal para um destino no ambiente barulhento do cérebro parecem ser ondas Alfa, ciclos 8 a 13 por segundo, ou ondas Beta, ciclos 13 a 32 por segundo.

No meu laboratório, nos referimos a essa segunda atividade como "tocar a bateria". A frequência das ondas cerebrais é semelhante à do sub-baixo ou bumbo usado para marcar ou manter o tempo nas orquestras militar, rock, pop, jazz e tradicional música.

Esses ritmos de baixa frequência atuam como uma tecla de entrega que é impressa no sinal transmitido como uma frequência adicional. É tipo como Os sinais de GPS sincronizar redes de telecomunicações. Digamos que o sinal de ondas cerebrais ou a chave de entrega seja ciclos 10 por segundo. A duração de um ciclo é de um décimo de segundo, portanto, a chave de entrega fornece um marcador de tempo no ponto de recepção a cada décimo de segundo.

Este marcador de tempo é extremamente útil na recepção precisa do sinal transmitido. Fundamentalmente, essa chave de entrega apenas abre ou ativa a trava no ponto de recepção pretendido. A idéia não é tão diferente do uso de uma senha para obter acesso a conteúdo específico.

Os neurocientistas acreditam que a escolha da chave de entrega usada depende do estado do indivíduo. Por exemplo, as ondas alfa estão associadas ao descanso acordado com os olhos fechados. As ondas beta estão associadas à consciência e concentração normais vigilantes.

Os cientistas supõem que associado a cada chave de entrega, ou ritmo cerebral, seja uma lista de funções cognitivas consistentes com o estado do indivíduo. Assim, por exemplo, um sinal enviado com um ritmo cerebral de onda alfa de ciclos por segundo 10 impresso nele já tem informações codificadas sobre descanso acordado.

Ondas cerebrais de atividade elétrica foram identificou quase 100 anos atrás, e os pesquisadores estão constantemente aprendendo mais sobre eles e seu papel no comportamento e na função cerebral.

Como os cérebros sintonizam um sinal neural de bilhões?
Para melhorar os sistemas de telecomunicações, os pesquisadores podem aprender com o funcionamento do cérebro.
Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modelando sistemas construídos no cérebro

A pesquisa do meu laboratório sobre redes neurológicas tem implicações não apenas para entender o cérebro humano e desenvolver procedimentos de diagnóstico não invasivos e tratamentos terapêuticos para uma variedade de disfunções neurológicas, mas também para projetar sistemas aprimorados de telecomunicações, redes, segurança cibernética, inteligência artificial e robótica.

Por exemplo, o cérebro humano demonstra o quanto os projetos de sistemas de rede de telecomunicações mais avançados poderiam ser. Redes celulares 5G esperamos atender a cerca de um milhão de dispositivos 1 em uma milha quadrada. Por outro lado, o cérebro humano pode estabelecer rapidamente pelo menos 1 milhões de conexões dentro de um polegada cúbica de tecido cerebral.

Os projetos atuais de sistemas de rede de telecomunicações são limitados porque se baseiam essencialmente nos princípios de uma disciplina - engenharia elétrica e de computadores. Até os circuitos mais simples do cérebro, as fibras nervosas, que são como os elos de uma rede de telecomunicações, operam de maneiras extremamente complexas, de acordo com princípios combinados de biologia, engenharia química, engenharia mecânica e engenharia elétrica e de computação.

Projetar sistemas com capacidade semelhante ao cérebro humano exigirá uma abordagem muito mais multidisciplinar, refletida no meu grupo de pesquisa - uma equipe formada por especialistas em medicina, ciências da vida, engenharia e materiais avançados - e pesquisa Parceiros.

Sobre o autor

Salvatore Domenic Morgera, professor de engenharia elétrica e bioengenharia, University of South Florida

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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