¿Cómo sintonizan los cerebros con una señal neuronal de miles de millones?

¿Cómo sintonizan los cerebros con una señal neuronal de miles de millones? Su cerebro está conduciendo múltiples orquestas de información al mismo tiempo. Audio iluminado, CC BY

El cerebro humano envía cientos de miles de millones de señales neuronales cada segundo. Es una hazaña extraordinariamente compleja.

Un cerebro sano debe establecer una enorme cantidad de conexiones correctas y asegurarse de que sean precisas durante todo el período de la transferencia de información, lo que puede llevar segundos, lo que en el "tiempo del cerebro" es bastante largo.

¿Cómo llega cada señal a su destino previsto?

El desafío para su cerebro es similar al que enfrenta cuando intenta entablar una conversación en una ruidosa fiesta de cócteles. Puede concentrarse en la persona con la que está hablando y "silenciar" las otras discusiones. Este fenómeno es la audición selectiva: lo que se llama efecto cóctel.

Cuando todos en una fiesta grande y abarrotada hablan aproximadamente al mismo volumen, el nivel de sonido promedio de la persona con la que estás hablando es casi igual al nivel promedio de todas las conversaciones de los demás participantes. Si se tratara de un sistema de TV satelital, este balance aproximadamente igual de señal deseada y ruido de fondo daría como resultado una recepción deficiente. Sin embargo, este equilibrio es lo suficientemente bueno como para permitirle entender la conversación en una fiesta bulliciosa.

¿Cómo lo hace el cerebro humano, distinguiendo entre miles de millones de "conversaciones" en curso dentro de sí mismo y bloqueando una señal específica para la entrega?

La investigación de mi equipo Las redes neurológicas del cerebro muestran que hay dos actividades que respaldan su capacidad de establecer conexiones confiables en presencia de un ruido de fondo biológico significativo. Aunque los mecanismos del cerebro son bastante complejos, estas dos actividades actúan como lo que un ingeniero eléctrico llama filtro combinado - un elemento de procesamiento utilizado en sistemas de radio de alto rendimiento, y ahora se sabe que existe en la naturaleza.


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Neuronas cantando en armonía

Dediquemos un momento a concentrarnos en solo uno de los cientos de miles de millones de fibras nerviosas en el cerebro humano, de las cuales muchas suelen estar activas en un momento dado. Todos están haciendo su parte para llevar a cabo procesos de pensamiento que permitan a los humanos funcionar con éxito e interactuar de manera significativa entre sí, apoyando habilidades como orientación, atención, memoria, resolución de problemas y función ejecutiva.

Mi equipo de investigación ha desarrollado un modelo que traduce la actividad cerebral biológica al rango audible humano, por lo que puede escuchar el cerebro en el trabajo. Así es como suena una sola fibra nerviosa que transmite su señal en un entorno ideal y sin ruido:

La actividad de una sola fibra nerviosa se traduce en el rango audible humano. Autor proporcionado (sin reutilización)119 KB (Descargar)

Cuando esta fibra nerviosa elegida transmite una señal a su destino objetivo en otra parte del cerebro, se enfrenta al ruido de fondo causado por la actividad de todas las otras fibras activas. Aquí está el sonido de esa misma fibra ahora inmersa en la fiesta del cerebro:

La actividad de una sola fibra nerviosa, en el contexto de todo lo demás que ocurre en el cerebro. Autor proporcionado (sin reutilización)119 KB (Descargar)

El ruido de fondo en el cerebro estimula una pequeña población de otras fibras nerviosas alrededor de nuestra fibra nerviosa elegida para sincronizar y transmitir aproximadamente el mismo mensaje. Esta sincronización reduce el efecto del ruido y mejora la claridad de la señal.

Hace el trabajo, pero no es perfecto. Es similar a muchas voces que cantan en armonía. Cada voz proyecta sonido en sus frecuencias únicas en cada momento, con la suma total de la multitud de voces que extiende el rango de frecuencia de cada voz individual. Piense en un coro que llena un music hall con su canción, en lugar de un solista que canta solo una parte. Esta estrategia enriquece el contenido de frecuencia, eleva el nivel de la señal transmitida y aumenta la calidad de la recepción.

Los científicos describen este fenómeno como la aparición de una relación, o acoplamiento, entre subsistemas de fibras nerviosas físicamente separados. Crea un sistema más grande y dinámico. La idea no es tan diferente del misterio de 350, finalmente resuelto, de cómo relojes de péndulo montado en la misma pared sincroniza a través de pequeñas fuerzas físicas ejercidas sobre la viga de soporte.

Mis colegas y yo creemos que esta misma capacidad de "sincronizarse" podría conducir al descubrimiento de tratamientos terapéuticos no invasivos para trastornos neurológicos como esclerosis múltiple. Esto podría lograrse utilizando un dispositivo neuromodulador no invasivo en la superficie del cuero cabelludo para proporcionar fuerzas de campo eléctrico personalizadas pequeñas y no físicas a la región del cerebro afectado por la enfermedad. Al alterar de forma no invasiva las señales cerebrales del paciente, estas fuerzas de campo eléctrico crearían un entorno de red neurológica más saludable para la transferencia de información.

¿Cómo sintonizan los cerebros con una señal neuronal de miles de millones? Al igual que los tambores de una banda, las ondas cerebrales ayudan a "mantener el ritmo". Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Cerebros haciendo rodar la batería

La segunda forma en que los cerebros cortan el desorden de señales es a lo que los neurocientíficos se refieren como la clave de entrega. Es el papel desempeñado por el ritmos naturales del cerebro, popularmente conocido como ondas cerebrales.

Estos ritmos cerebrales son creados por células nerviosas que se disparan en patrones específicos, causando ondas de actividad eléctrica a ciertas frecuencias muy bajas, que van desde aproximadamente 0.5 a 140 ciclos por segundo. En comparación, los teléfonos inteligentes funcionan a alrededor de 5,000,000,000 ciclos por segundo. Las ondas que ayudan a enviar una señal a un destino en el entorno ruidoso del cerebro parecen ser ondas alfa, ciclos 8 a 13 por segundo u ondas beta, ciclos 13 a 32 por segundo.

En mi laboratorio, nos referimos a esta segunda actividad como "tocar la batería". La frecuencia de ondas cerebrales es similar a la del sub-bajo o bombo utilizado para marcar o mantener el tiempo en orquesta militar, rock, pop, jazz y tradicional. música.

Estos ritmos de baja frecuencia actúan como una clave de entrega que se imprime en la señal transmitida como una frecuencia adicional. Es algo así como cómo Señales de GPS sincronizar redes de telecomunicaciones. Digamos que la señal de onda cerebral o la clave de entrega son 10 ciclos por segundo. La duración de un ciclo es una décima de segundo, por lo que la clave de entrega proporciona un marcador de tiempo en el punto de recepción cada décima de segundo.

Este marcador de tiempo es extremadamente útil en la recepción precisa de la señal transmitida. Fundamentalmente, esta clave de entrega solo abre o activa la cerradura en el punto de recepción previsto. La idea no es tan diferente del uso de una contraseña para obtener acceso a contenido específico.

Los neurocientíficos creen que la elección de la clave de entrega utilizada depende del estado del individuo. Por ejemplo, las ondas alfa están asociadas con el descanso despierto con los ojos cerrados. Las ondas beta están asociadas con la conciencia y concentración normales de vigilia.

Los científicos suponen que asociado con cada clave de entrega, o ritmo cerebral, hay una lista de funciones cognitivas consistentes con el estado del individuo. Entonces, por ejemplo, una señal enviada con un 10 ciclos por segundo de ritmo cerebral de onda alfa impresa ya tiene información codificada sobre el reposo despierto.

Las ondas cerebrales de actividad eléctrica fueron identificado hace casi 100 años, y los investigadores están constantemente aprendiendo más sobre ellos y su papel en el comportamiento y la función cerebral.

¿Cómo sintonizan los cerebros con una señal neuronal de miles de millones? Para mejorar los sistemas de telecomunicaciones, los investigadores pueden aprender de cómo funciona el cerebro. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modelado de sistemas construidos en el cerebro

La investigación de mi laboratorio en redes neurológicas tiene implicaciones no solo para comprender el cerebro humano y desarrollar procedimientos de diagnóstico no invasivos y tratamientos terapéuticos para una variedad de disfunciones neurológicas, sino también para diseñar sistemas mejorados para telecomunicaciones, redes, seguridad cibernética, inteligencia artificial y robótica.

Por ejemplo, el cerebro humano demuestra cuán mucho más avanzados podrían ser los diseños de sistemas de redes de telecomunicaciones. Redes celulares 5G Esperamos servir alrededor de 1 millones de dispositivos en una milla cuadrada. En contraste, el cerebro humano puede establecer rápidamente al menos 1 millones de conexiones dentro de un pulgada cúbica de tejido cerebral.

Los diseños actuales de los sistemas de redes de telecomunicaciones están limitados porque esencialmente se basan en los principios de una disciplina: la ingeniería eléctrica y la informática. Incluso los circuitos más simples del cerebro, las fibras nerviosas, que son como los enlaces en una red de telecomunicaciones, operan de maneras extremadamente complejas de acuerdo con principios combinados de biología, ingeniería química, ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica e informática.

Diseñar sistemas similares en capacidad al cerebro humano requerirá un enfoque mucho más multidisciplinario reflejado en mi grupo de investigación, un equipo formado por expertos en medicina, ciencias de la vida, ingeniería y materiales avanzados, y investigación socios.

Sobre el Autor

Salvatore Domenic Morgera, Profesor de Ingeniería Eléctrica y Bioingeniería, Universidad del Sur de Florida

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

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