Comment les cerveaux accordent-ils un signal neural sur des milliards?

Comment les cerveaux accordent-ils un signal neural sur des milliards?
Votre cerveau dirige plusieurs orchestres d'informations en même temps. Audio éclairé, CC BY

Le cerveau humain envoie des centaines de milliards de signaux neuronaux chaque seconde. C'est un exploit extraordinairement complexe.

Un cerveau en bonne santé doit établir un très grand nombre de connexions correctes et veiller à ce qu'elles restent exactes pendant toute la durée du transfert d'informations - cela peut prendre quelques secondes, ce qui en temps réel est plutôt long.

Comment chaque signal parvient-il à sa destination?

Le défi de votre cerveau est similaire à celui auquel vous êtes confronté lorsque vous essayez de discuter lors d’un cocktail bruyant. Vous êtes capable de vous concentrer sur la personne à qui vous parlez et de «mettre en sourdine» les autres discussions. Ce phénomène est l'audition sélective - ce qu'on appelle le effet cocktail.

Lorsque tout le monde à une grande fête encombrée parle à peu près au même niveau, le niveau sonore moyen de la personne à qui vous parlez est à peu près égal au niveau moyen de toutes les discussions rassemblées par les autres fêtards. S'il s'agissait d'un système de télévision par satellite, cet équilibre à peu près égal du signal souhaité et du bruit de fond entraînerait une mauvaise réception. Néanmoins, cet équilibre est suffisant pour vous permettre de comprendre une conversation lors d’une soirée animée.

Comment le cerveau humain le fait-il, en distinguant entre des milliards de «conversations» en cours et en s’accrochant à un signal spécifique pour la livraison?

La recherche de mon équipe dans les réseaux neurologiques du cerveau montre qu'il existe deux activités qui renforcent sa capacité à établir des connexions fiables en présence d'un bruit de fond biologique important. Bien que les mécanismes du cerveau soient assez complexes, ces deux activités constituent ce qu’un ingénieur électricien appelle un filtre adapté - un élément de traitement utilisé dans les systèmes radio à haute performance, et dont l'existence est connue dans la nature.


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Neurones chantant en harmonie

Prenons un moment pour nous concentrer sur une seule des centaines de milliards de fibres nerveuses du cerveau humain, parmi lesquelles beaucoup sont généralement actives à un moment donné. Ils font tous leur part pour mener à bien des processus de pensée qui permettent aux humains de fonctionner avec succès et d’interagir de manière significative les uns avec les autres - capacités de soutien telles que l’orientation, l’attention, la mémoire, la résolution de problèmes et la fonction exécutive.

Mon équipe de recherche a mis au point un modèle traduisant l’activité cérébrale biologique en une gamme audible pour l’être humain. peut entendre le cerveau au travail. Voici à quoi ressemble une fibre nerveuse transmettant son signal dans un environnement idéal et sans bruit:

L'activité d'une seule fibre nerveuse traduite dans la plage audible humaine. Auteur fourni (pas de réutilisation)119 KB (Télécharger)

Lorsque cette fibre nerveuse choisie transmet un signal à sa destination cible ailleurs dans le cerveau, elle se heurte au bruit de fond provoqué par l'activité de toutes les autres fibres actives. Voici le son de cette même fibre maintenant immergée dans le cocktail du cerveau:

L'activité d'une seule fibre nerveuse, dans le contexte de tout ce qui se passe dans le cerveau. Auteur fourni (pas de réutilisation)119 KB (Télécharger)

Le bruit de fond dans le cerveau stimule une petite population d’autres fibres nerveuses situées autour de notre fibre nerveuse choisie. synchroniser et transmettre à peu près le même message. Cette synchronisation réduit l'effet du bruit et améliore la clarté du signal.

Il fait le travail, mais n'est pas parfait. Cela ressemble à beaucoup de voix qui chantent en harmonie. Chaque voix projette un son à ses fréquences uniques à chaque instant, la somme de la multitude de voix élargissant la plage de fréquences de chaque voix. Pensez à un choeur remplissant une salle de musique avec sa chanson, par opposition à un soliste qui ne chante qu’une partie. Cette stratégie enrichit le contenu fréquentiel, élève le niveau du signal transmis et augmente la qualité de la réception.

Les scientifiques décrivent ce phénomène comme l'émergence d'une relation ou d'un couplage entre des sous-systèmes de fibres nerveuses physiquement séparés. Cela crée un système plus grand et dynamique. L’idée n’est pas si différente du mystère vieux de 350, enfin résolu, de la façon dont pendules montés sur le même mur se synchronisent au moyen de petites forces physiques exercées sur la poutre de support

Mes collègues et moi sommes convaincus que cette même capacité de «synchronisation» pourrait mener à la découverte de traitements thérapeutiques non invasifs pour des troubles neurologiques tels que la sclérose en plaques. Cela pourrait être accompli à l'aide d'un neuromodulateur non invasif à la surface du cuir chevelu afin de fournir de petites forces non généralisées de champ électrique personnalisées à la région du cerveau. affecté par la maladie. En modifiant de manière non invasive les signaux cérébraux du patient, ces forces de champ électrique créeraient un environnement de réseau neurologique plus sain pour le transfert d'informations.

Comment les cerveaux accordent-ils un signal neural sur des milliards?
Comme les tambours d'un groupe, les ondes cérébrales aident à «garder le rythme».
Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Les cerveaux qui roulent les tambours

La deuxième façon dont le cerveau coupe le fouillis de signaux est ce que les neuroscientifiques appellent la clé de délivrance. C'est le rôle joué par le rythmes naturels du cerveau, communément appelé ondes cérébrales.

Ces rythmes cérébraux sont créés par les cellules nerveuses qui se déclenchent selon des schémas spécifiques, provoquant des ondes d’activité électrique à certaines fréquences très basses, allant d’environ 0.5 à 140 cycles par seconde. En comparaison, les smartphones fonctionnent à environ 5,000,000,000 cycles par seconde. Les ondes permettant de transmettre un signal à une destination située dans l'environnement bruyant du cerveau semblent être des ondes Alpha, des cycles 8 à 13 par seconde ou des ondes Bêta, des cycles 13 à 32 par seconde.

Dans mon laboratoire, nous appelons cette deuxième activité «rouler la batterie». La fréquence des ondes cérébrales est similaire à celle du sub-bass ou de la grosse caisse utilisée pour marquer ou garder le temps dans les orchestres militaire, rock, pop, jazz et traditionnel. la musique.

Ces rythmes de basse fréquence agissent comme une clé de livraison qui s'imprime sur le signal transmis en tant que fréquence supplémentaire. C'est un peu comme Signaux GPS synchroniser les réseaux de télécommunications. Supposons que le signal des ondes cérébrales ou la clé de livraison correspondent aux cycles 10 par seconde. La durée d’un cycle étant d’un dixième de seconde, la clé de livraison attribue un marqueur de temps au point de réception tous les dixièmes de seconde.

Ce marqueur temporel est extrêmement utile pour la réception précise du signal transmis. Surtout, cette clé de livraison n’ouvre ou n’active le verrou qu’au point de réception prévu. L'idée n'est pas si différente de l'utilisation d'un mot de passe pour accéder à un contenu spécifique.

Les neuroscientifiques estiment que le choix de la clé de livraison utilisée dépend de l'état de l'individu. Par exemple, les ondes alpha sont associées au repos éveillé les yeux fermés. Les ondes bêta sont associées à une conscience et à une concentration de veille normales.

Les scientifiques supposent que chaque touche de délivrance, ou rythme cérébral, est associée à une liste de fonctions cognitives cohérentes avec l'état de l'individu. Ainsi, par exemple, un signal envoyé avec un rythme cérébral de cycle Alpha par cycles 10 par seconde imprimé contient déjà des informations sur le repos éveillé.

Les ondes cérébrales de l'activité électrique étaient identifié il y a presque 100 annéeset les chercheurs en apprennent de plus en plus sur leur rôle dans le comportement et le fonctionnement du cerveau.

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Pour améliorer les systèmes de télécommunication, les chercheurs peuvent apprendre du fonctionnement du cerveau.
Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Modélisation de systèmes construits sur le cerveau

Les recherches de mon laboratoire sur les réseaux neurologiques ont des implications non seulement pour la compréhension du cerveau humain et le développement de procédures de diagnostic non invasives et de traitements thérapeutiques pour une variété de dysfonctionnements neurologiques, mais également pour la conception de systèmes améliorés pour les télécommunications, la mise en réseau, la cybersécurité, l'intelligence artificielle et la robotique.

Par exemple, le cerveau humain montre à quel point des systèmes de réseaux de télécommunication plus avancés pourraient être conçus. Réseaux cellulaires 5G espérons servir environ 1 millions d'appareils dans un mile carré. En revanche, le cerveau humain peut rapidement établir au moins X millions de connexions dans un pouce cube de tissu cérébral.

La conception des systèmes de réseaux de télécommunications actuels est limitée, car ils s'inspirent essentiellement des principes d'une seule discipline - le génie électrique et le génie informatique. Même les circuits les plus simples du cerveau, les fibres nerveuses, qui sont comme les liaisons d’un réseau de télécommunication, fonctionnent de manière extrêmement complexe selon des principes combinés de biologie, de génie chimique, de génie mécanique et de génie électrique et informatique.

La conception de systèmes d'une capacité similaire à celle du cerveau humain nécessitera l'approche beaucoup plus multidisciplinaire reflétée dans mon groupe de recherche - une équipe composée d'experts en médecine, sciences de la vie, ingénierie et matériaux avancés - et recherche partenaires.

A propos de l'auteur

Salvatore Domenic Morgera, professeur de génie électrique et de bio-ingénierie, Université de Floride du Sud

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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