Avkoding av hemmelighetene til hjernekonnektivitet

To nye studier er med på å forklare arkitekturen til hvordan nevrale nettverk forbinder forskjellige hjerneområder. I en studie fra Duke kunne forskere lære aper å kontrollere bevegelsen til både armer og hender på en datamaskingenerert avatar ved å bruke bare tankene. I en annen studie fra Notre Dame, har fysikere laget en modell som forklarer hvordan hjernen kobler sammen flere områder ved hjelp av “bow tie” -formede nevrale nettverk.

I studere ledet av Duke-forskere, har aper lært å kontrollere bevegelsen til begge armene til en avatar ved å bruke bare hjerneaktiviteten. Funnene ble publisert 6. november 2013 i tidsskriftet Science Translational Medicine. Fremskritt på dette området gir håp for teknologier som til slutt vil tillate bilateral bevegelse i hjernestyrte proteseanordninger for lammede pasienter.

Duke-forskerne mener at apenes hjerner bokstavelig talt innlemmer avatararmene og hendene i et indre bilde av sine egne kropper. Avataren ser ut til å bli en virtuell forlengelse av en apes følelse av propriosepsjon og selvtillit.

En annen papir publisert i en spesiell november 2013-utgave av tidsskriftet Vitenskap tilbyr en ny forståelse av hjernekonnektivitet ved hjelp av en nettverksrepresentasjon av forbindelser i hjernen. Fysikere ved Notre Dame brukte data fra stamcelleforskning i Frankrike for å lage en hypotese om at cortex skaper et nettverk av tilkoblinger basert på en enkel "bow tie" -struktur som effektivt kobler flere hjerner områder.

De opprinnelige dataene for Notre Dame-papiret ble generert av samarbeidspartner Henry Kennedy, direktør for Stamcelle- og hjerneforskningsinstitutt i Lyon, Frankrike, og hans forskergruppe.

"Bow Tie" -arkitektur kobler til flere hjerneområder

Forfatterne bemerker at et strømlinjeformet fluesnettverk skaper den mest effektive tilkoblingen mellom funksjonelle områder i hjernen. Vingene på sløyfen skaper det som forfattere omtaler som en ‘counterstream organisasjon’ som betyr at hub innlemmer samtidig informasjon fra fremadgående og tilbakemeldingsveier i flere retninger.

Zoltán Toroczkai, professor i fysikk ved University of Notre Dame og co-director of the Tverrfaglig senter for nettverksvitenskap og applikasjoner, er medforfatter av et papir med tittelen "Cortical High-Density Counterstream Architectures."

Fluebåndsenhetene lager en fremadgående og tilbakemeldingssløyfe som kobles sammen somatosensoriske, motoriske og kognitive funksjoner mellom forskjellige hjerneområder som inkluderer occipital, parietal, temporal og frontal lobes, så vel som den prefrontale cortex.

Denne slips-arkitekturen er et typisk trekk ved selvorganiserende informasjonsbehandlingssystemer, ifølge forskerne. Oppgaven bemerker at den menneskelige cortex har noen analogier med informasjonsteknologi prosesseringsnettverk som World Wide Web.

Forskerne fant at i motsetning til tidligere oppfatninger, kan det å skape en høy tetthetskjerne med ‘vinger’ skape sterk og effektiv tilkobling mellom alle to hjerneområder. Fluebåndstrukturen, sier de, er "en evolusjonært foretrukket struktur for et bredt utvalg av komplekse nettverk" fordi "disse systemene er ikke i termodynamisk likevekt og er påkrevd for å opprettholde energi og materieflyt gjennom system."

En godt tilkoblet hjerne kan kontrollere begge armene til en avatar

Apekatter i en Duke-studie ble trent i et virtuelt miljø der de så på realistiske avatararmer på en skjerm og ble deretter opplært til å plassere sine virtuelle hender på spesifikke mål i en bimanuell motor oppgave. Apene lærte først å kontrollere avatararmene ved hjelp av et par styrespaker, men ble det til slutt kunne lære å bruke hjerneaktiviteten til å bevege begge avatararmene uten å bevege seg våpen.

Etter hvert som apenes evne til å kontrollere begge armene ble bedre, observerte hertugforskerne utbredt nevroplastisitet som koblet flere områder av hjernen deres. Forskerne fant også ut at hjerneområder viste spesifikke mønstre for nevronal elektrisk aktivitet under bimanuelle bevegelser som skilte seg fra nevronaktiviteten produsert for å bevege hver arm hver for seg.

"Bimanuelle bevegelser i våre daglige aktiviteter - fra å skrive på et tastatur til å åpne en boks - er kritisk viktige," sa seniorforfatter Miguel Nicolelis, M.D., Ph. D., professor i nevrobiologi ved Duke University School of Medisin. "Fremtidige grensesnitt mellom hjerner og maskiner som tar sikte på å gjenopprette mobilitet hos mennesker, vil måtte innlemme flere lemmer for å være til stor nytte for alvorlig lammede pasienter."

Studien antyder at veldig brede nevronale ensembler - ikke enlige nevroner - definerer normale bimanuelle og bipedale motoriske funksjoner. Små nevronale prøver av cortex fra bare en halvkule av lillehjernen er ikke tilstrekkelig for å kontrollere kompleks motorisk atferd ved hjelp av et hjernemaskingrensesnitt.

Nicolelis er en del av et internasjonalt team som jobber for å bygge et hjernestyrt nevroprotetisk apparat gjennom Walk Again-prosjektet. Teamet planlegger å demonstrere sitt første hjernekontrollerte eksoskelett, som for tiden er under utvikling, under åpningsseremonien til FIFA verdensmesterskap i 2014.

Konklusjon: En bedre forståelse av hjernekonnektivitet har store implikasjoner

Disse to studiene gir verdifull innsikt i hvordan hjerneområder er koblet fra en gruppe fysikere og nevrovitere. Å samle flerfaglige innsikter om hjernekonnektivitet kan føre til praktiske applikasjoner som kan brukes til å forbedre menneskers liv og ytelsesnivå.

Dessverre kan disse gjennombruddene i forståelsen av hjernetilkobling føre til utvikling av roboter bemannet av tankene til veltrente mennesker på avsidesliggende steder og brukt til destruktive militære formål, som dronene fra i dag. Hvis feilbehandlet, kan disse gjennombruddene i forståelsen av hjernekonnektivitet skape en dystopi rett ut av science fiction.

På en positiv tone kan forståelse av hjernekonnektivitet også hjelpe mennesker til å ta daglige livsstilsvalg her og nå, som forbedrer hjernesymmetri og synkronitet for å oppnå personlig best.

"Biologiske data er ekstremt kompliserte og mangfoldige," konkluderer Zoltán Toroczkai. "Som fysiker er jeg imidlertid interessert i hva som er vanlig eller ufravikelig i dataene, fordi det kan avdekke et grunnleggende organisasjonsprinsipp bak et komplekst system. Jeg tror at med ytterligere konsistente data, som de som er oppnådd av Kennedy-teamet, er de grunnleggende prinsippene for massiv informasjonsbehandling i hjernens nevronale nettverk innen rekkevidde. "

Hvis du vil lese mer om dette emnet, kan du sjekke min Psykologi i dag blogger, "Videospill kan øke hjernestørrelsen og tilkoblingen", "Hjerneasymmetri endrer hundens vogn og et menneskes sinn", "Bedre motoriske ferdigheter knyttet til høyere akademiske score", "Einsteins geni knyttet til godt forbundet hjernehalvdel"og"Nevrovitenskapen til overflødighet."