Hjärnrytmer är nyckeln till att förstå kognition
Hjärnrytmer är nyckeln till att förstå kognition
Det kan vara väldigt informativt att observera pixlarna på din telefon under ett mikroskop, men inte om ditt mål är att förstå vad en hel video på skärmen visar. Kognition är ungefär samma typ av framväxande egenskap i hjärnan. Det kan bara förstås genom att observera hur miljontals celler agerar i samordning, hävdar en grupp av MIT neuroforskare. I en ny artikel lägger de upp ett ramverk för att förstå hur tankar uppstår från samordningen av neurala aktiviteter som drivs av oscillerande elektriska fält - även känd som som hjärnans "vågor" eller "rytmer".
Historiskt sett enbart avfärdat som biprodukter av neural hjärnaktivitet, hjärnrytmer är faktiskt avgörande för att organisera den, skriver Picower Professor Earl Miller och forskarna Scott Brincat och Jefferson Roy i Current Opinion in Behavioral Science. Och medan neuroforskare har fått enorm kunskap genom att studera hur enskilda hjärnceller ansluter och hur och när de sänder ut "spikar" för att skicka impulser genom specifika kretsar, finns det också ett behov att uppskatta och tillämpa nya koncept på hjärnans rytmskala, som kan sträcka sig över enskilda, eller till och med flera, hjärnregioner.
"Spikning" och anatomi är viktiga men det händer mer i hjärnan utöver det", säger Miller , fakultetsmedlem vid Picower Institute for Learning and Memory och Department of Brain and Cognitive Science vid MIT. "Det finns en hel del funktionalitet som äger rum på en höre nivå, särskilt kognition."
Insatserna för att studera hjärnan i den skalan, skriver författarna, kan inte bara inkludera förståelse av hälsosam funktion på högre nivå utan också hur dessa funktioner störs vid sjukdom.
"Många neurologiska och psykiatriska störningar, såsom schizofreni, epilepsi och Parkinsons, involverar störningar av framväxande egenskaper som neural synkroni," skriver de. "Vi förväntar oss att förståelse för hur man tolkar och samverkar med dessa framväxande egenskaper kommer att vara avgörande för att utveckla effektiva behandlingar och förstå kognition."
Bron mellan omfattningen av individuella neuroner och den bredare koordinationen av många celler bygger på elektriska fält, skriver forskarna.
Via ett fenomen som kallas "ephaptic coupling" kan det elektriska fältet som genereras av aktiviteten hos en neuron påverka spänningen hos närliggande neuroner och skapa en anpassning mellan dem.
I en artikel 2022 visade Miller och kollegor via experiment och beräkningsmodeller att informationen som kodas i de elektriska fälten som genereras av ensembler av neuroner kan läsas ut mer tillförlitligt än informationen som kodas av spikar från enskilda celler.
År 2023 gav Millers labb bevis på att rytmiska elektriska fält ka koordinera minnen mellan regioner.
I denna större skala, där rytmiska elektriska fält bär information mellan hjärnregioner, har Millers labb publicerat ett flertal studier som visar att lägre frekvensrytmer i det så kallade "beta"-bandet har sitt ursprung i djupare lager av hjärnans cortex och verkar reglera kraften hos snabbare frekvens "gamma"-rytmeri i mer ytliga lager.
Genom att registrera neural aktivitet i hjärnan hos djur som är engagerade i arbetsminnespel har labbet visat att betarytmer bär "uppifrån och ner"-signaler för att kontrollera när och var gammarytmer kan koda sensorisk information, såsom bilderna som djuren behöver komma ihåg spelet.
Några av labbets senaste bevis tyder på att betarytmer tillämpar denna kontroll av kognitiva processor på fysiska fläckar av cortex, i huvudsak fungerar som schabloner som mönster där och när gamma kan koda sensorisk information i minnet, eller hämta den.
Enligt denna teori, som Miller kallar "Spatial Computing", kan beta därigenom fastställa de allmänna reglerna för en uppgift (till exempel de fram och tillbaka svängningar som krävs för att öppna ett kombinationslås), även om det specifika informationsinnehållet kan ändras (t.ex nya siffror när kombinationen ändras).
Mer generellt gör denna struktur också att neuroner flexibelt kan koda mer än en typ av information åt gången, skriver författarna, en allmänt observerad neural egenskap som kallas "blandad selektivitet."
Till exempel kan en neuron som kodar ett nummer av låskombinationen också tilldelas, baserat på vilka beta-stencilerad patch den befinner sig i, det särskilda steget i upplåsningsprocessen som numret har betydelse för.
I den nya studien föreslår Miller, Brincat och Roy en annan fördel som överensstämmer med kognitiv kontroll är baserad på ett samspel av en storskalig koordinerad rytmisk aktivitet: "Subspace-kodning."
Denna idé postulerar att hjärnrytmer organiserar det annars enorma antalet möjliga utfall som kan bli resultatet av säg, 1000 neuroner som deltar i oberoende spikaktivitet.
Istället för alla de många kombinatoriska möjligheterna uppstår faktiskt många färre "delrum" av aktivietet, eftersom neuroner är koordinerade snarare än oberoende. Det är som om nervcellernas spik är som en flock fåglar som koordinerar sina rörelser.
Olika faser och frekvenser av hjärnrytmer ger denna koordination, anpassade för att förstärka varandra, eller förskjuta för att förhindra störningar. Till exempel, om en bit sensorisk information behöver komma ihåg, kan neural aktivitet som representerar den skyddas från störningar när ny sensorisk information uppfattas.
"Således kan organiseringen av neurala svar i delrum både segregera och integrera information", skriver författarna.
Hjärnrytmernas kraft att koordinera och organisera informationsbehandling i hjärnan är det som gör att funktionell kognition kan uppstå i den skalan, skriver författarna. Att förstå kognition i hjärnan kräver därför att man studerar rytmer.
"Att studera enskilda neurala komponenter isolerat - individuella neuroner och synapser - har gett enorma bidrag till vår förståelse av hjärnan och är fortfarande viktigt", avslutar författarna.
"Men det blir allt tydligare att för att helt fånga hjärnans komplexitet måste dessa komponenter analyseras tillsammans för att identifiera, studera och relatera deras framväxande egenskaper."
Kommentarer
Skicka en kommentar