Bộ não của bạn đang tiến hành nhiều dàn thông tin cùng một lúc. Âm thanh khai sáng, CC BY

Bộ não con người gửi hàng trăm tỷ tín hiệu thần kinh từng giây. Đó là một kỳ công cực kỳ phức tạp.

Một bộ não khỏe mạnh phải thiết lập một số lượng lớn các kết nối chính xác và đảm bảo rằng chúng vẫn chính xác trong toàn bộ thời gian truyền thông tin - có thể mất vài giây, trong thời gian não não thời gian khá dài.

Làm thế nào để mỗi tín hiệu đến đích dự định của nó?

Thử thách cho bộ não của bạn tương tự như những gì bạn phải đối mặt khi cố gắng tham gia vào cuộc trò chuyện tại một bữa tiệc cocktail ồn ào. Bạn có thể tập trung vào người mà bạn đang nói chuyện và câm lặng các cuộc thảo luận khác. Hiện tượng này là thính giác có chọn lọc - cái gọi là hiệu ứng tiệc cocktail.

Khi tất cả mọi người trong một bữa tiệc lớn, đông người nói chuyện với âm lượng lớn như nhau, mức âm thanh trung bình của người bạn đang nói chuyện bằng với mức trung bình của tất cả các cuộc trò chuyện của những người tham gia bữa tiệc khác cộng lại. Nếu đó là một hệ thống truyền hình vệ tinh, sự cân bằng gần như bằng nhau của tín hiệu mong muốn và nhiễu nền sẽ dẫn đến khả năng thu sóng kém. Tuy nhiên, sự cân bằng này là đủ tốt để cho bạn hiểu cuộc trò chuyện tại một bữa tiệc nhộn nhịp.

Làm thế nào để bộ não con người làm điều đó, phân biệt giữa hàng tỷ cuộc hội thoại trên mạng đang diễn ra trong chính nó và khóa vào một tín hiệu cụ thể để phân phối?

Nghiên cứu của nhóm tôi vào các mạng lưới thần kinh của não cho thấy có hai hoạt động hỗ trợ khả năng thiết lập các kết nối đáng tin cậy với sự hiện diện của tiếng ồn nền sinh học quan trọng. Mặc dù các cơ chế của bộ não khá phức tạp, hai hoạt động này hoạt động như những gì một kỹ sư điện gọi là bộ lọc phù hợp - một yếu tố xử lý được sử dụng trong các hệ thống vô tuyến hiệu suất cao, và hiện được biết là tồn tại trong tự nhiên.

Neuron hát hòa hợp

Chúng ta hãy dành một chút thời gian để tập trung vào một trong hàng trăm tỷ sợi thần kinh trong não người, trong đó nhiều người thường hoạt động tại bất kỳ thời điểm nào. Tất cả họ đều làm phần việc của mình để thực hiện các quá trình suy nghĩ cho phép con người hoạt động thành công và tương tác có ý nghĩa với nhau - các khả năng hỗ trợ như định hướng, chú ý, ghi nhớ, giải quyết vấn đề và chức năng điều hành.

Nhóm nghiên cứu của tôi đã phát triển một mô hình chuyển dịch hoạt động não sinh học sang phạm vi nghe được của con người, vì vậy chúng tôi có thể nghe não tại nơi làm việc Đây là những gì một sợi thần kinh duy nhất truyền tín hiệu của nó nghe giống như trong một môi trường lý tưởng, không có tiếng ồn:

Khi sợi thần kinh được chọn này truyền tín hiệu đến đích đích của nó ở nơi khác trong não, nó sẽ chống lại tiếng ồn nền do hoạt động của tất cả các sợi hoạt động khác. Đây là âm thanh của cùng loại sợi đó được đắm chìm trong bữa tiệc cocktail của não bộ:

Tiếng ồn nền trong não kích thích một lượng nhỏ các sợi thần kinh khác xung quanh sợi thần kinh đã chọn của chúng ta đồng bộ hóa và truyền tải cùng một thông điệp. Sự đồng bộ này làm giảm hiệu ứng của nhiễu và cải thiện độ rõ của tín hiệu.

Nó làm công việc, nhưng không hoàn hảo. Nó giống với nhiều giọng hát hòa hợp. Mỗi dự án giọng nói phát ra âm thanh ở tần số duy nhất tại mỗi thời điểm, với tổng số vô số giọng nói mở rộng dải tần số của từng giọng nói riêng lẻ. Hãy nghĩ về một điệp khúc lấp đầy một hội trường âm nhạc với bài hát của nó, trái ngược với một nghệ sĩ độc tấu chỉ hát một phần. Chiến lược này làm phong phú nội dung tần số, tăng mức tín hiệu truyền đi và tăng chất lượng thu.

Các nhà khoa học mô tả hiện tượng này là sự xuất hiện của một mối quan hệ, hoặc khớp nối, giữa các hệ thống con được phân tách vật lý của các sợi thần kinh. Nó tạo ra một hệ thống lớn hơn, năng động. Ý tưởng này không quá khác biệt so với bí ẩn năm tuổi 350, cuối cùng đã được giải quyết, về cách thức đồng hồ quả lắc gắn trên cùng một bức tường đồng bộ hóa thông qua các lực vật lý nhỏ tác dụng lên chùm đỡ.

Các đồng nghiệp của tôi và tôi tin rằng khả năng này đồng bộ hóa với nhau có thể dẫn đến phát hiện ra các phương pháp điều trị không xâm lấn cho các rối loạn thần kinh như đa xơ cứng. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một thiết bị điều chế thần kinh không xâm lấn ở bề mặt da đầu để cung cấp các lực điện trường tùy chỉnh nhỏ, phi vật lý cho vùng não bị ảnh hưởng bởi bệnh. Bằng cách thay đổi không xâm lấn tín hiệu não của bệnh nhân, các lực điện trường này sẽ tạo ra một môi trường mạng thần kinh lành mạnh hơn để truyền thông tin.

Giống như trống trong một ban nhạc, sóng não giúp 'giữ nhịp'. Josh Sorenson / Bapt, CC BY

Não lăn trống

Cách thứ hai bộ não cắt qua sự lộn xộn tín hiệu là những gì các nhà thần kinh học gọi là chìa khóa phân phối. Đó là vai trò của nhịp điệu tự nhiên của não, phổ biến được gọi là sóng não.

Những nhịp điệu não này được tạo ra bởi các tế bào thần kinh bắn ra theo các kiểu cụ thể, gây ra các sóng hoạt động điện ở tần số rất thấp, từ chu kỳ 0.5 đến 140 mỗi giây. Để so sánh, điện thoại thông minh hoạt động ở khoảng chu kỳ 5,000,000,000 mỗi giây. Các sóng giúp truyền tín hiệu đến đích trong môi trường ồn ào của não dường như là sóng Alpha, chu kỳ 8 đến 13 mỗi giây hoặc sóng Beta, chu kỳ 13 đến 32 mỗi giây.

Trong phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi đề cập đến hoạt động thứ hai này giống như tiếng trống của người chơi. Âm nhạc.

Các nhịp tần số thấp này hoạt động như một phím phân phối được ấn tượng trên tín hiệu truyền dưới dạng tần số bổ sung. Nó giống như thế nào tín hiệu GPS đồng bộ hóa mạng viễn thông. Giả sử tín hiệu sóng não hoặc khóa phân phối là chu kỳ 10 mỗi giây. Thời lượng của một chu kỳ là một phần mười giây, do đó, phím phân phối đưa ra dấu thời gian tại điểm tiếp nhận cứ sau một phần mười giây.

Dấu thời gian này cực kỳ hữu ích trong việc thu chính xác tín hiệu truyền đi. Điều quan trọng, khóa phân phối này chỉ mở hoặc kích hoạt khóa tại điểm tiếp nhận dự định. Ý tưởng không quá khác biệt so với việc sử dụng mật khẩu để có quyền truy cập vào nội dung cụ thể.

Các nhà thần kinh học tin rằng sự lựa chọn của khóa giao hàng được sử dụng phụ thuộc vào trạng thái của cá nhân. Ví dụ, sóng Alpha có liên quan đến sự nghỉ ngơi tỉnh táo với đôi mắt nhắm nghiền. Sóng beta có liên quan đến ý thức và sự tập trung bình thường.

Các nhà khoa học cho rằng liên quan đến mỗi khóa phân phối, hoặc nhịp điệu của não, là một danh sách các chức năng nhận thức phù hợp với trạng thái của từng cá nhân. Vì vậy, ví dụ, tín hiệu được gửi với chu kỳ 10 mỗi giây nhịp điệu não Alpha gây ấn tượng khi nó đã có thông tin được mã hóa trong đó về phần còn lại tỉnh táo.

Sóng não của hoạt động điện là xác định gần như 100 năm trướcvà các nhà nghiên cứu không ngừng tìm hiểu thêm về chúng và vai trò của chúng trong hành vi và chức năng não.

Để cải thiện hệ thống viễn thông, các nhà nghiên cứu có thể học hỏi từ cách bộ não hoạt động. Mario Caruso / Bapt, CC BY

Mô hình hóa các hệ thống được xây dựng trên não

Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của tôi về mạng lưới thần kinh có ý nghĩa không chỉ hiểu về bộ não con người và phát triển các quy trình chẩn đoán không điều trị và phương pháp điều trị cho nhiều loại rối loạn thần kinh, mà còn thiết kế các hệ thống cải tiến cho viễn thông, mạng, an ninh mạng, trí tuệ nhân tạo và robot.

Ví dụ, bộ não con người cho thấy các thiết kế hệ thống mạng viễn thông tiên tiến hơn có thể như thế nào. Mạng di động 5G hy vọng sẽ phục vụ khoảng 1 triệu thiết bị trong một dặm vuông. Ngược lại, bộ não con người có thể nhanh chóng thiết lập ít nhất 1 triệu kết nối trong một inch khối của mô não.

Các thiết kế hệ thống mạng viễn thông ngày nay bị hạn chế bởi vì về cơ bản chúng rút ra từ các nguyên tắc của một ngành - kỹ thuật điện và máy tính. Ngay cả các mạch đơn giản nhất của não, các sợi thần kinh, giống như các liên kết trong mạng viễn thông, hoạt động theo những cách cực kỳ phức tạp theo các nguyên tắc kết hợp của sinh học, kỹ thuật hóa học, cơ khí và kỹ thuật điện và máy tính.

Thiết kế các hệ thống có khả năng tương tự như bộ não con người sẽ đòi hỏi cách tiếp cận đa ngành hơn nhiều được phản ánh trong nhóm nghiên cứu của tôi - một nhóm được rút ra từ các chuyên gia về y học, khoa học đời sống, kỹ thuật và vật liệu tiên tiến - và nghiên cứu Đối tác.

Lưu ý

Salvatore Domenic Morgera, Giáo sư Kỹ thuật Điện và Kỹ thuật Sinh học, Đại học South Florida

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

sách_science