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大脑,很复杂!

发布时间:2021-05-16人气:
本文摘要:来源:原理 大脑是我们身体中最仪器的器官之一,它的工作还包括解读触觉、视觉和声音的输出,并负责管理语言、推理小说、情绪、自学、运动的细致掌控,还有其他许多方面。 一些神经科学家指出,正是大脑的解剖学结构,也就是无数神经纤维的不存在,才使得所有这些功能沦为有可能——大脑的“电线”通过精心设计的神经网络连接起来,从而产生难以置信的能力。

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来源:原理  大脑是我们身体中最仪器的器官之一,它的工作还包括解读触觉、视觉和声音的输出,并负责管理语言、推理小说、情绪、自学、运动的细致掌控,还有其他许多方面。  一些神经科学家指出,正是大脑的解剖学结构,也就是无数神经纤维的不存在,才使得所有这些功能沦为有可能——大脑的“电线”通过精心设计的神经网络连接起来,从而产生难以置信的能力。如果是这样的话,那或许意味著一旦科学家能绘制出有神经纤维及其相连图,并记录下它们在构建高级功能(比如视觉)时的脉冲时间,就应当需要解读大脑是如何协助人们看到外部世界的这个问题。

  随着技术的变革,科学家更加擅长于用于纤维示踪光学技术来绘制“大脑地图”,这种用于了三维模型的技术能直观地展现出神经纤维的路径。通过用于增强型功能性磁共振光学(enhanced fMRI)来测量血流,科学家在记录大脑信息传送的方面也更加出众。

然而“残忍”的现实是,尽管握这些工具,但或许没有人知道几乎解读了我们是如何看到外部世界的。对于大脑到底是如何将所有这些方面融合在一起的,神经科学只获得了一些可行性的了解。  为了解决问题这个问题,南佛罗里达大学Salvatore Domenic Morgera教授团队将生物工程研究集中于在了大脑结构与功能之间的关系上。

团队的整体目标是科学地说明所有在理解任务中转录有所不同大脑区域的相连,这些相连还包括了解剖学上的物理相连,以及更加简单的“无线”相连。团队正在研究简单的模型,来更佳地协助科学家解读大脑的功能。

  类似于推理小说和自学的理解功能不会用于到许多有所不同的大脑区域。单凭解剖学,也就是神经元和神经纤维的研究,并无法说明这些区域经常出现的同时激动,或者在时间上有先后顺序的激动模式。事实上,大脑中的有些相连是“无线”的,它们被称作电近场相连(electric near-field connection),这并非是能被纤维示踪光学捕捉到的物理相连。

  Morgera教授的团队早已在这一领域耕耘了多年,他们详尽说明了了这些无线连接的起源,并测量了它们的场强。用一个非常简单的比方,它们就看起来你大脑中的无线路由器。网络通过有线相连传输到路由器,然后路由器利用无线连接将信息发送到你的电脑和手机上。

由于有线和无线连接的联合不存在,整个信息传输系统才能长时间工作。神经细胞结构转身简图。

| 图片设计:雯雯子;素材来源:BruceBlaus/Wikicommons  在大脑中,神经细胞将电脉冲沿着轴突(长长的丝状“手臂”),从胞体传导到其他神经元。在这个过程中,无线信号大自然地从神经细胞并未绝缘的部分升空出来。这些没被“包覆”的轴突部分被称作郎飞结。

郎飞结可以让电荷离子在神经元内外蔓延,使电信号沿着轴突传播。当离子出入时,同时不会产生电场。

这些场的强度和结构则各不相同神经细胞的活动。  在对大脑激动区域与理解功能展开给定的研究中,过分非常简单的模型假设有可能还让科学家罪了另一个错误。

  许多研究人员偏向于利用单一变量的线性关系模型,来测量单个大脑区域反应的平均值大小。线性模型假设,如果一个系统的输出增加一倍,该系统的输入也将适当地缩减到。

然而事实是,大多数生命的感官系统并不是以一种线性的方式对性刺激产生反应。线性模型忽视了大脑功能中的各种可能性,特别是在是那些远超过解剖学结构的部分所带给的可能性。  现在,更加多科学家指出,神经计算是非线性的。

在非线性模型中,单个输出值可以不存在许多输入值。荐个例子,在解读大脑和不道德之间的联系时,一个至关重要的问题是,大脑如何在相互竞争的自由选择中要求最佳的行动方案。

例如,大脑的额皮质通过计算出来许多变量来作出最佳自由选择,它不会计算出来潜在的报酬、顺利的概率以及时间和精力方面的成本等等。由于系统是非线性的,将潜在报酬增加一倍,最后决策的可能性可能会提升一倍以上。  目前的线性模型意味着叙述了一个大脑区域的平均值激动水平,或者说大脑表面的血流,而更加先进设备的增强型功能性磁共振光学和电子将近场生物光学数据所创建非线性模型则可以包括更加多信息。这样的非线性模型获取了大脑表面和大脑内部深处的信息流的三维图像,让研究人员更加相似大脑的工作原理。

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图片来源:Thomas Angus, Imperial College London/Wikicommons  Morgera教授的团队还对这样一个事实很感兴趣,那就是结构几乎长时间的大脑依然可能会产生相当严重的功能性问题。  作为神经学功能障碍研究的一部分,研究团队走访了临终关怀医院、丧亲互惠小组、康复护理机构、后遗症中心和急症医院的许多病人。他们吃惊地找到,丧失挚爱亲人的人会展现出出与阿尔茨海默病患者相近的症状。  哀伤是对丧生或者其他损失的一系列情感、理解、功能和不道德反应。

它不是一种状态,而是一个过程,它可以是临时的,也可以是持续的。对那些忍受着极大哀伤的人来说,他们的大脑看上去很身体健康,并没像阿尔茨海默病患者那样经常出现解剖学上的问题,比如大脑区域再次发生衰退,或者神经元网络之间的相连中断。  研究人员坚信,这是一个很好的例子,指出大脑的那些非物理联系,再加大脑非常丰富的非线性运算如何造成了一些显著的后果,而这些后果是非常简单的大脑扫瞄无法预测出来的。

  这些点子有可能为未来通过无自创手段减轻相当严重的神经系统疾病说明了方向。Morgera教授和团队坚信,利用在电近场光学方面的最新进展,绘制出有大脑中所有非物理联系,并使用多变量非线性模型,可以让科学家更加了解地了解大脑的关键功能,比如计算出来、记忆、网络和信息分配。


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