Un ocean în creierul tău: unde cerebrale interactive

imagine: De la stânga la dreapta: Thomas Albright și Sergei Gepshtein
pentru a vedea După

Credit: Institutul Salk

LA JOLLA – (22 aprilie 2022) De ani de zile, creierul a fost gândit ca un computer biologic care procesează informații prin circuite tradiționale, prin care datele trec direct de la o celulă la alta. Deși acest model este încă exact, un nou studiu condus de profesorul Salk Thomas Albright și de omul de știință Serghei Gepshtein arată că există și un al doilea mod foarte diferit în care creierul procesează informațiile: prin interacțiunile formelor de undă, activitatea neuronală. Constatările, publicate în Oamenii de știință progresează 22 aprilie 2022, ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine modul în care creierul procesează informațiile.

„Acum avem o nouă înțelegere a modului în care funcționează mașinile de calcul ale creierului”, spune Albright, Conrad T. Prebys Chair in Vision Research și director al Salk Vision Center Laboratory. „Modelul ajută la explicarea modului în care starea de bază a creierului se poate schimba, afectând atenția, concentrarea sau capacitatea oamenilor de a procesa informații.”

Cercetătorii știu de mult că există valuri de activitate electrică în creier, atât în ​​timpul somnului, cât și în timpul stării de veghe. Dar teoriile de bază despre modul în care creierul procesează informațiile – în special informațiile senzoriale, cum ar fi vederea unei lumini sau sunetul unui clopoțel – s-au învârtit în jurul informațiilor detectate de celule, celule cerebrale specializate, apoi transferate de la un neuron la altul ca un releu. .

Acest model tradițional al creierului, totuși, nu a putut explica modul în care o singură celulă senzorială poate reacționa atât de diferit la același lucru în condiții diferite. O celulă, de exemplu, se poate activa ca răspuns la un fulger rapid de lumină atunci când un animal este deosebit de alert, dar va rămâne inactivă ca răspuns la aceeași lumină dacă atenția animalului este concentrată pe altceva.

Gepshtein compară noua înțelegere cu dualitatea undă-particulă din fizică și chimie – ideea că lumina și materia au proprietăți atât ale particulelor, cât și ale undelor. În unele situații, lumina se comportă ca și cum ar fi o particulă (numită și foton). În alte situații, se comportă ca și cum ar fi un val. Particulele sunt limitate într-o locație specifică, iar undele sunt răspândite în mai multe locații. Ambele vederi ale luminii sunt necesare pentru a explica comportamentul ei complex.

„Viziunea tradițională a funcției creierului descrie activitatea creierului ca o interacțiune a neuronilor. Deoarece fiecare neuron este limitat într-o locație specifică, această viziune este asemănătoare cu descrierea luminii ca o particulă”, spune Gepshtein, directorul Salk’s Collaboratory for Adaptive Sensory Technologies. „Am descoperit că, în unele situații, activitatea creierului este cel mai bine descrisă ca o interacțiune a undelor, ceea ce este similar cu descrierea luminii ca undă. Ambele puncte de vedere sunt necesare pentru a înțelege creierul.

Unele proprietăți ale celulelor senzoriale observate în trecut nu au fost ușor de explicat, având în vedere abordarea „particulelor” a creierului. În noul studiu, echipa a observat activitatea a 139 de neuroni într-un model animal pentru a înțelege mai bine modul în care celulele își coordonează răspunsul la informațiile vizuale. Împreună cu fizicianul Sergey Savel’ev de la Universitatea Loughborough, au creat un cadru matematic pentru a interpreta activitatea neuronilor și a prezice noi fenomene.

Cel mai bun mod de a explica comportamentul neuronilor, au descoperit, a fost interacțiunea undelor microscopice de activitate, mai degrabă decât interacțiunea neuronilor individuali. Mai degrabă decât un fulger de lumină care activează celulele senzoriale specializate, cercetătorii au arătat cum acest lucru creează modele distribuite: valuri de activitate prin multe celule învecinate, cu vârfuri și jgheaburi alternative de activare, precum valurile oceanice.

Când aceste unde sunt generate simultan în diferite locuri ale creierului, ele se ciocnesc inevitabil unele cu altele. Dacă două vârfuri de activitate se întâlnesc, ele generează o activitate și mai mare, în timp ce dacă un minim de activitate scăzută întâlnește un vârf, îl poate anula. Acest proces se numește interferență de unde.

„Când ești în lume, există multe, multe intrări și astfel sunt generate toate aceste valuri diferite”, spune Albright. „Răspunsul net al creierului la lumea din jurul tău are de-a face cu modul în care toate aceste unde interacționează.”

Pentru a testa modelul lor matematic despre cum apar undele neuronale în creier, echipa a conceput un experiment vizual însoțitor. Două persoane au fost rugate să detecteze o linie subțire subțire („sondă”) situată pe un ecran și flancată de alte modele de lumină. Potrivit cercetătorilor, calitatea execuției acestei sarcini depindea de locația sondei. Capacitatea de a detecta sonda a fost mare în unele locuri și a scăzut în altele, formând o undă spațială prezisă de model.

„Abilitatea dumneavoastră de a vedea această sondă în fiecare locație va depinde de modul în care undele neuronale se suprapun în acea locație”, spune Gepshtein, care este, de asemenea, un membru al Centrului Salk pentru Neurobiologia Vederii. „Și acum am propus cum se ocupă creierul de asta.”

Descoperirea modului în care undele neuronale interacționează depășește cu mult explicarea acestei iluzii optice. Cercetătorii emit ipoteza că aceleași tipuri de unde sunt generate și interacționează între ele în fiecare parte a cortexului cerebral, nu doar partea responsabilă cu analiza informațiilor vizuale. Aceasta înseamnă că undele generate de creier însuși, de semnale subtile din mediul înconjurător sau stările de spirit interne, pot modifica undele generate de intrările senzoriale.

Acest lucru poate explica modul în care răspunsul creierului la ceva se poate schimba de la o zi la alta, spun cercetătorii.

Alți co-autori ai lucrării includ Ambarish Pawar de la Salk și Sunwoo Kwon de la Universitatea din California, Berkeley.

Lucrarea a fost susținută parțial de Centrul Sloan-Swartz pentru Neurobiologie Teoretică al Institutului Salk, Institutul Kavli pentru Creier și Minte, Fundația Conrad T. Prebys, Institutul Național de Sănătate (R01-EY018613, R01-EY029117) și Consiliul de Cercetare în Inginerie și Științe Fizice (EP/S032843/1).

Despre Institutul Salk pentru Studii Biologice: Fiecare cură are un punct de plecare. Institutul Salk întruchipează misiunea lui Jonas Salk de a îndrăzni să transforme visele în realitate. Oamenii de știință cu renume internațional și premiați explorează însăși bazele vieții, căutând noi perspective în neuroștiință, genetică, imunologie și multe altele. Institutul este o organizație independentă, non-profit și un reper arhitectural: mic la alegere, intim prin natură și neînfricat în fața oricărei provocări. Fie că este vorba despre cancer sau boala Alzheimer, îmbătrânire sau diabet, Salk este punctul de plecare pentru cure. Aflați mai multe la: salk.edu.


Avertizare: AAAS și EurekAlert! nu sunt responsabili pentru acuratețea comunicatelor de presă postate pe EurekAlert! de către instituțiile contribuitoare sau pentru utilizarea oricărei informații prin intermediul sistemului EurekAlert.

Add Comment