Ο «Θόρυβος παρασκηνίου» του Brain μπορεί να περιέχει στοιχεία για επίμονα μυστήρια

Σε ένα συμπόσιο έρευνας για τον ύπνο τον Ιανουάριο του 2020, η Janna Lendner παρουσίασε ευρήματα που υπονοούν έναν τρόπο εξέτασης της εγκεφαλικής δραστηριότητας των ανθρώπων για σημάδια του ορίου μεταξύ εγρήγορσης και απώλειας των αισθήσεων. Για ασθενείς που βρίσκονται σε κώμα ή υπό αναισθησία, μπορεί να είναι πολύ σημαντικό οι γιατροί να κάνουν σωστά αυτή τη διάκριση. Ωστόσο, είναι πιο δύσκολο από όσο ακούγεται, επειδή όταν κάποιος βρίσκεται σε κατάσταση ύπνου με γρήγορη κίνηση των ματιών (REM), ο εγκέφαλός του παράγει τα ίδια οικεία, ομαλά ταλαντευόμενα εγκεφαλικά κύματα όπως όταν είναι ξύπνιος.

Ο Lendner υποστήριξε, ωστόσο, ότι η απάντηση δεν βρίσκεται στα κανονικά εγκεφαλικά κύματα, αλλά σε μια πτυχή της νευρικής δραστηριότητας που οι επιστήμονες συνήθως αγνοούν:τον ασταθή θόρυβο του περιβάλλοντος.

Μερικοί ερευνητές φάνηκαν απίστευτοι. «Είπαν, «Λοιπόν, μου λες ότι υπάρχουν, για παράδειγμα, πληροφορίες στον θόρυβο;» είπε ο Lendner, κάτοικος αναισθησιολογίας στο Πανεπιστημιακό Ιατρικό Κέντρο στο Tübingen της Γερμανίας, ο οποίος πρόσφατα ολοκλήρωσε μεταδιδακτορικό στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. , Μπέρκλεϋ. "Είπα ναι. Ο θόρυβος κάποιου είναι το σήμα κάποιου άλλου."

Ο Lendner είναι ένας από έναν αυξανόμενο αριθμό νευροεπιστημόνων που ενεργοποιούνται από την ιδέα ότι ο θόρυβος στην ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου θα μπορούσε να κρατήσει νέες ενδείξεις για την εσωτερική λειτουργία του. Αυτό που κάποτε θεωρούνταν το νευρολογικό ισοδύναμο της ενοχλητικής στατικής τηλεόρασης μπορεί να έχει βαθιές επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μελετούν τον εγκέφαλο.

Οι σκεπτικιστές έλεγαν στον νευροεπιστήμονα Bradley Voytek ότι δεν υπήρχε τίποτα που να αξίζει να μελετηθεί σε αυτά τα θορυβώδη χαρακτηριστικά της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Αλλά οι δικές του μελέτες για τις αλλαγές στον ηλεκτρικό θόρυβο καθώς οι άνθρωποι γερνούν, καθώς και η προηγούμενη βιβλιογραφία σχετικά με τις στατιστικές τάσεις στην ακανόνιστη εγκεφαλική δραστηριότητα, τον έπεισαν ότι κάτι τους έλειπε. Έτσι, πέρασε χρόνια δουλεύοντας σε έναν τρόπο για να βοηθήσει τους επιστήμονες να επανεξετάσουν τα δεδομένα τους.

«Είναι ανεπαρκές να ανεβαίνεις μπροστά σε μια ομάδα επιστημόνων και να πεις, «Γεια, νομίζω ότι κάναμε τα πράγματα λάθος», είπε ο Βόιτεκ, αναπληρωτής καθηγητής Γνωστικής Επιστήμης και Επιστήμης Δεδομένων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν. Ντιέγκο. "Πρέπει να τους δώσετε ένα νέο εργαλείο για να κάνουν πράγματα" διαφορετικά ή καλύτερα.

Σε συνεργασία με νευροεπιστήμονες στο UC San Diego και στο Berkeley, η Voytek ανέπτυξε λογισμικό που απομονώνει τακτικές ταλαντώσεις - όπως τα κύματα άλφα, που μελετώνται σε μεγάλο βαθμό τόσο σε άτομα που κοιμούνται όσο και σε εγρήγορση - που κρύβονται στα απεριοδικά μέρη της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Αυτό δίνει στους νευροεπιστήμονες ένα νέο εργαλείο για να ανατέμνουν τόσο τα κανονικά κύματα όσο και την απεριοδική δραστηριότητα, προκειμένου να ξεμπερδέψουν τους ρόλους τους στη συμπεριφορά, τη γνώση και την ασθένεια.

Το φαινόμενο που ο Voytek και άλλοι επιστήμονες ερευνούν με διάφορους τρόπους έχει πολλά ονόματα. Κάποιοι το αποκαλούν «το 1/f κλίση» ή «δραστηριότητα χωρίς κλίμακα»· Η Voytek πίεσε να την μετονομάσει σε «απεριοδικό σήμα» ή «απεριοδική δραστηριότητα».

Δεν είναι απλώς μια ιδιορρυθμία του εγκεφάλου. Τα μοτίβα που αναζητούν οι Lendner, Voytek και άλλοι σχετίζονται με ένα φαινόμενο που οι επιστήμονες άρχισαν να παρατηρούν σε πολύπλοκα συστήματα σε όλο τον φυσικό κόσμο και την τεχνολογία το 1925. Η στατιστική δομή εμφανίζεται μυστηριωδώς σε τόσα πολλά διαφορετικά πλαίσια που ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι αντιπροσωπεύει ανεξερεύνητος νόμος της φύσης.

Αν και δημοσιευμένες μελέτες εξέτασαν την αρρυθμική εγκεφαλική δραστηριότητα για περισσότερα από 20 χρόνια, κανείς δεν μπόρεσε να διαπιστώσει τι πραγματικά σημαίνει. Τώρα, ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν καλύτερα εργαλεία για την απομόνωση απεριοδικών σημάτων σε νέα πειράματα και για την αναζήτηση πιο βαθιάς παλαιότερων δεδομένων. Χάρη στον αλγόριθμο του Voytek και σε άλλες μεθόδους, μια σειρά από μελέτες που δημοσιεύθηκαν τα τελευταία χρόνια έχουν ξεκινήσει με την ιδέα ότι η απεριοδική δραστηριότητα περιέχει κρυμμένους θησαυρούς που μπορεί να προωθήσουν τη μελέτη της γήρανσης, του ύπνου, της παιδικής ανάπτυξης και πολλά άλλα.

Τι είναι η Απεριοδική Δραστηριότητα;

Το σώμα μας ακολουθεί τους γνωστούς ρυθμούς των καρδιακών παλμών και των αναπνοών — επίμονους κύκλους απαραίτητους για την επιβίωση. Αλλά υπάρχουν εξίσου ζωτικής σημασίας τυμπανοκρουσίες στον εγκέφαλο που δεν φαίνεται να έχουν κάποιο μοτίβο και μπορεί να περιέχουν νέες ενδείξεις για τα θεμέλια της συμπεριφοράς και της γνώσης.

Όταν ένας νευρώνας στέλνει μια χημική ουσία που ονομάζεται γλουταμινικό σε έναν άλλο νευρώνα, κάνει τον παραλήπτη πιο πιθανό να πυροδοτήσει. αυτό το σενάριο ονομάζεται διέγερση. Αντίθετα, εάν ένας νευρώνας φτύσει τον νευροδιαβιβαστή γάμμα-αμινοβουτυρικό οξύ ή GABA, ο νευρώνας δέκτης είναι λιγότερο πιθανό να πυροδοτηθεί. αυτό είναι αναστολή. Η υπερβολική ποσότητα από τα δύο έχει συνέπειες:Η ανεξέλεγκτη διέγερση οδηγεί σε επιληπτικές κρίσεις, ενώ η αναστολή χαρακτηρίζει τον ύπνο και, σε πιο ακραίες περιπτώσεις, το κώμα.

Για να μελετήσουν τη λεπτή ισορροπία μεταξύ διέγερσης και αναστολής, οι επιστήμονες μετρούν την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου με ηλεκτροεγκεφαλογραφία ή EEG. Οι κύκλοι διέγερσης και αναστολής σχηματίζουν κύματα που έχουν συνδεθεί με διαφορετικές ψυχικές καταστάσεις. Οι εκπομπές του εγκεφάλου στα περίπου 8 έως 12 hertz, για παράδειγμα, σχηματίζουν το μοτίβο κυμάτων άλφα που σχετίζεται με τον ύπνο.

Αλλά η ηλεκτρική απόδοση του εγκεφάλου δεν παράγει απόλυτα ομαλές καμπύλες. Αντίθετα, οι γραμμές τρέμουν καθώς κλίνουν προς τις κορυφές και προς τα κάτω προς τις γούρνες. Μερικές φορές η εγκεφαλική δραστηριότητα δεν έχει κανονικότητα και αντίθετα μοιάζει περισσότερο με ηλεκτρικό θόρυβο. Το στοιχείο "λευκού θορύβου" αυτού είναι πραγματικά τυχαίο όπως το στατικό, αλλά μερικά από αυτά έχουν μια πιο ενδιαφέρουσα στατιστική δομή.

Αυτές οι ατέλειες στην ομαλότητα και στο θόρυβο είναι που ενδιαφέρουν νευροεπιστήμονες όπως η Voytek. "Είναι τυχαίο, αλλά υπάρχουν διαφορετικά είδη τυχαίων", είπε.

Για να ποσοτικοποιήσουν αυτή την απεριοδική δραστηριότητα, οι επιστήμονες αναλύουν τα ακατέργαστα δεδομένα EEG, όπως ένα πρίσμα μπορεί να αποσυνθέσει μια ηλιαχτίδα σε ένα ουράνιο τόξο διαφορετικών χρωμάτων. Χρησιμοποιούν πρώτα μια τεχνική που ονομάζεται ανάλυση Fourier. Οποιοδήποτε σύνολο δεδομένων που απεικονίζεται σε γραφική παράσταση με την πάροδο του χρόνου μπορεί να εκφραστεί ως ένα άθροισμα τριγωνομετρικών συναρτήσεων όπως τα ημιτονοειδή κύματα, τα οποία μπορούν να εκφραστούν ως προς τη συχνότητα και το πλάτος τους. Οι επιστήμονες μπορούν να σχεδιάσουν τα πλάτη των κυμάτων σε διαφορετικές συχνότητες σε ένα γράφημα που ονομάζεται φάσμα ισχύος.

Τα πλάτη για τα φάσματα ισχύος σχεδιάζονται συνήθως σε λογαριθμικές συντεταγμένες λόγω του μεγάλου εύρους των τιμών τους. Για καθαρά τυχαίο λευκό θόρυβο, η καμπύλη φάσματος ισχύος είναι σχετικά επίπεδη και οριζόντια, με κλίση μηδέν, επειδή είναι περίπου η ίδια σε όλες τις συχνότητες. Αλλά τα νευρωνικά δεδομένα παράγουν καμπύλες με αρνητική κλίση έτσι ώστε οι χαμηλότερες συχνότητες να έχουν υψηλότερα πλάτη και η ένταση πέφτει εκθετικά για υψηλότερες συχνότητες. Αυτό το σχήμα ονομάζεται 1/f , αναφερόμενος σε αυτήν την αντίστροφη σχέση μεταξύ της συχνότητας και του πλάτους. Οι νευροεπιστήμονες ενδιαφέρονται για το τι μπορεί να δείχνει η επιπεδότητα ή η απότομη κλίση της κλίσης σχετικά με την εσωτερική λειτουργία του εγκεφάλου.

Η ανάλυση των δεδομένων EEG με αυτόν τον τρόπο είναι ανάλογη με την εξέταση των ηχητικών κυμάτων από μια ηχογράφηση που έγινε σε μια γέφυρα πάνω από έναν αυτοκινητόδρομο, εξηγεί ο Lawrence Ward, γνωστικός νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας. Το βουητό των ελαστικών από τυχαία διερχόμενα αυτοκίνητα θα παρήγαγε απεριοδικά χαρακτηριστικά φόντου, αλλά τα κοντινά τρένα που ηχούν ένα σφύριγμα κάθε 10 λεπτά θα παρήγαγαν ένα περιοδικό σήμα με κορυφές στα δεδομένα πιο δυνατά από το φόντο. Ένα ξαφνικό γεγονός, όπως ένα μακρύ κορνάρισμα ή μια σύγκρουση οχήματος, θα προκαλούσε μια αξιοσημείωτη απότομη αύξηση στο ηχητικό κύμα, συμβάλλοντας στο συνολικό 1/f κλίση.

Επίγνωση του 1/f Το φαινόμενο χρονολογείται από μια εργασία του 1925 του J.B. Johnson των Bell Telephone Laboratories, ο οποίος εξέταζε τον θόρυβο σε σωλήνες κενού. Ο Γερμανός επιστήμονας Χανς Μπέργκερ δημοσίευσε την πρώτη ανθρώπινη μελέτη ΗΕΓ μόλις τέσσερα χρόνια αργότερα. Η έρευνα της νευροεπιστήμης στις επόμενες δεκαετίες επικεντρώθηκε σε μεγάλο βαθμό στα εξέχοντα περιοδικά κύματα της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Ωστόσο, 1/στ Διαπιστώθηκαν διακυμάνσεις σε όλα τα είδη ηλεκτρικού θορύβου, δραστηριότητα στο χρηματιστήριο, βιολογικούς ρυθμούς, ακόμη και μουσικά κομμάτια — και κανείς δεν ήξερε γιατί.

Ίσως επειδή φαινόταν τόσο καθολικό, πολλοί βιολόγοι απέρριψαν την ιδέα ότι κοιτάζοντας τον θόρυβο μέσα από το φακό του 1/f Τα χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να δώσουν χρήσιμα σήματα. σκέφτηκαν ότι μπορεί να είναι μια μορφή θορύβου από τα επιστημονικά όργανα που χρησιμοποιήθηκαν, έγραψε ο Biyu J. He, επίκουρος καθηγητής νευρολογίας, νευροεπιστήμης και φυσιολογίας στο Grossman School of Medicine του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, σε μια ανασκόπηση του 2014 στο Trends in Cognitive Επιστήμες .

Αλλά ο He και άλλοι κατέρριψαν αυτή την ιδέα μέσω πειραμάτων που ελέγχουν τον θόρυβο των οργάνων, ο οποίος αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ μικρότερος σε μέγεθος από την απεριοδική εγκεφαλική δραστηριότητα. Σε μια εργασία του 2010 στο Neuron , Αυτός και οι συνάδελφοί της διαπίστωσαν επίσης ότι ενώ οι ενδείξεις EEG, τα σεισμικά κύματα στο έδαφος και οι διακυμάνσεις της χρηματιστηριακής αγοράς εμφανίζουν όλα 1/f τάσεις, τα δεδομένα από αυτές τις πηγές εμφανίζουν διαφορετικές στατιστικές δομές υψηλότερης τάξης. Αυτή η διορατικότητα έβαλε ένα βαθούλωμα στην ιδέα ότι ένας μόνο νόμος της φύσης παράγει απεριοδικά σήματα σε όλα.

Ωστόσο, δεν είναι μια απολύτως διευθετημένη ερώτηση. Ο Ward έχει βρει μαθηματικά κοινά σημεία σε διαφορετικά πλαίσια και πιστεύει ότι κάτι θεμελιώδες θα μπορούσε να συμβαίνει στα παρασκήνια.

Είτε έτσι είτε αλλιώς, τόσο ο Ward όσο και ο He συμφωνούν ότι αξίζει να ψάξουμε βαθύτερα στον εγκέφαλο.

«Για δεκαετίες, η εγκεφαλική δραστηριότητα περιέχεται στο ‘1/f Η κλίση κρίθηκε ασήμαντη και συχνά αφαιρέθηκε από τις αναλύσεις για να τονιστούν οι εγκεφαλικές ταλαντώσεις», έγραψε στην εργασία του 2014. "Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, αυξανόμενα στοιχεία δείχνουν ότι η εγκεφαλική δραστηριότητα χωρίς κλίμακα συμβάλλει ενεργά στη λειτουργία του εγκεφάλου."

Νέα σήματα από θόρυβο

Ο Voytek έπεσε στο θέμα των απεριοδικών σημάτων κάπως τυχαία:Αρχικά ήθελε να μοντελοποιήσει και να αφαιρέσει τον λευκό θόρυβο από τα δεδομένα EEG. Αλλά καθώς χάλαγε έναν κωδικό για να βγάλει θόρυβο, άρχισε να δίνει περισσότερη προσοχή σε ό,τι ήταν ενδιαφέρον μέσα σε αυτόν.

Οι εγκέφαλοι των ηλικιωμένων φαίνεται να έχουν περισσότερη απεριοδική δραστηριότητα από αυτούς των νεότερων ενηλίκων, διαπίστωσε ο Voytek σε μια μελέτη του 2015 με τον διδακτορικό του σύμβουλο Robert Knight, καθηγητή νευροεπιστήμης στο Berkeley. Οι Voytek και Knight παρατήρησαν ότι καθώς ο εγκέφαλος γερνάει, κυριαρχείται περισσότερο από τον λευκό θόρυβο. Βρήκαν επίσης συσχετίσεις μεταξύ αυτού του θορύβου και της μείωσης της μνήμης εργασίας που σχετίζεται με την ηλικία.

Η Voytek ήθελε οι νευροεπιστήμονες να έχουν λογισμικό που θα μπορούσε πιο εύκολα και αυτόματα να απομονώνει τα περιοδικά και μη περιοδικά χαρακτηριστικά σε οποιοδήποτε σύνολο δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων των παλαιών, και να βοηθά τους ερευνητές να αναζητήσουν ουσιαστικό 1/f τάσεις. Έτσι, αυτός και η ομάδα του έγραψαν ένα πρόγραμμα για έναν αλγόριθμο που θα μπορούσε να το κάνει αυτό.

Η απαίτηση για ένα εργαλείο σαν αυτό έγινε σαφές αμέσως. Αφού ο Voytek και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τον κώδικά τους στον ιστότοπο biorxiv.org στις 11 Απριλίου 2018, έλαβε σχεδόν 2.000 λήψεις εντός του μήνα - μια μεγάλη επιτυχία για ένα εξειδικευμένο υπολογιστικό εργαλείο νευροεπιστήμης. Τον Νοέμβριο του ίδιου έτους, ο Voytek συντόνισε μια ομιλία μόνο σε όρθια αίθουσα στο συνέδριο της Εταιρείας Νευροεπιστήμης σχετικά με τον τρόπο χρήσης της. Λόγω της δημοτικότητάς του, οργάνωσε μια συνεδρία παρακολούθησης της τελευταίας στιγμής, όπου η ομάδα του εργαστηρίου του παρείχε τεχνική υποστήριξη σε δεκάδες ενδιαφερόμενους επιστήμονες. Το σεμινάριο και οι ανταλλαγές e-mail οδήγησαν σε νέες συνεργασίες.

Μία από αυτές τις συνεργασίες ήταν η μελέτη του Lendner για δείκτες για τη διέγερση κατά τη διάρκεια του ύπνου, που δημοσιεύτηκε στο διαδικτυακό περιοδικό eLife τον Ιούλιο του 2020. Με το λογισμικό της Voytek, η Lendner και οι συνεργάτες της διαπίστωσαν ότι στον απεριοδικό θόρυβο των ΗΕΓ των υποκειμένων σε δοκιμή, η δραστηριότητα υψηλής συχνότητας έπεφτε πιο γρήγορα κατά τη διάρκεια του ύπνου REM από ό,τι όταν ήταν ξύπνιοι. Με άλλα λόγια, η κλίση του φάσματος ισχύος ήταν πιο απότομη.

Στην εργασία τους, η Lendner και οι συνεργάτες της υποστηρίζουν ότι τα απεριοδικά σήματα μπορούν να χρησιμεύσουν ως μοναδική υπογραφή για τη μέτρηση της κατάστασης συνείδησης ενός ατόμου. Ένας νέος αντικειμενικός δείκτης όπως αυτός θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της πρακτικής της αναισθησίας και των θεραπειών για ασθενείς με κώμα.

Άλλες δημοσιευμένες μελέτες που χρησιμοποίησαν τον κώδικα του Voytek περιελάμβαναν έρευνες σχετικά με την αποτελεσματικότητα των φαρμάκων για τη ΔΕΠΥ και μελέτες για διαφορές με βάση το φύλο στην εγκεφαλική δραστηριότητα σε άτομα με αυτισμό. Ο κώδικας δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά σε περιοδικό με κριτές — Nature Neuroscience — τον Νοέμβριο του 2020· Ο Thomas Donoghue του UC San Diego, ο Matar Haller (τότε στο Berkeley) και ο Erik Peterson (τότε στο UC San Diego) ήταν οι πρώτοι συν-δημιουργοί της εργασίας, με την Avgusta Shestyuk από το Berkeley να υπηρετεί ως συν-ανώτερος συγγραφέας με τη Voytek. Αυτοί και άλλα μέλη της ομάδας επέδειξαν την απόδοση του κώδικα σε προσομοιωμένα δεδομένα και τις δυνατότητές του να αποκαλύψει νέα ευρήματα.

Η Natalie Schaworonkow, μεταδιδακτορική υπότροφος στο εργαστήριο του Voytek, συνήθως ερευνά κανονικές ταλαντώσεις όπως τα κύματα άλφα, «που είναι πιο όμορφα από το απεριοδικό σήμα», είπε, κάνοντας τον Voytek να γελάει στην κοινή μας κλήση Zoom. Αλλά όταν τα ενδιαφέροντά της στράφηκαν πρόσφατα στον εγκέφαλο του βρέφους και τα ηλεκτρικά μοτίβα που αποτελούν υπογραφές της γνωστικής του ανάπτυξής, αντιμετώπισε ένα πρόβλημα, επειδή τα βρέφη δεν παράγουν αυτά τα κομψά κύματα άλφα. Το πότε ακριβώς και πώς αρχίζουν να εμφανίζονται τα κύματα είναι ένα ανοιχτό ερώτημα.

Χρησιμοποίησε τον αλγόριθμο για να αναλύσει ένα ανοιχτό σύνολο δεδομένων EEG της εγκεφαλικής δραστηριότητας του βρέφους. Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύτηκε στο Developmental Cognitive Neuroscience , οι Schaworonkow και Voytek βρήκαν μεγάλες αλλαγές στην απεριοδική δραστηριότητα κατά τους πρώτους επτά μήνες της ζωής τους. Απαιτείται περισσότερη έρευνα, ωστόσο, για να διαπιστωθεί εάν αυτή η δραστηριότητα αντικατοπτρίζει μεγαλύτερη δέσμευση σε εργασίες καθώς μεγαλώνουν τα παιδιά ή απλώς αυξάνει την πυκνότητα της φαιάς ουσίας.

Ο κώδικας του Voytek έχει οδηγήσει πολλές πρόσφατες έρευνες, αλλά δεν είναι το μόνο παιχνίδι στην πόλη για ανάλυση απεριοδικού θορύβου. Το 2015, όταν ο Haiguang Wen της εταιρείας τεχνολογίας Nvidia και ο Zhongming Liu του Πανεπιστημίου του Michigan εργάζονταν και οι δύο στο Πανεπιστήμιο Purdue (ο Wen ήταν βοηθός ερευνητής και ο Liu ήταν αναπληρωτής καθηγητής), δημοσίευσαν μια διαφορετική προσέγγιση για την απομόνωση του περιοδικού από το απεριοδικό συστατικά της εγκεφαλικής δραστηριότητας, που ονομάζονται αυτοφασματική ανάλυση ακανόνιστης επαναδειγματοληψίας (IRASA). Εν τω μεταξύ, ο Biyu He εργάζεται πάνω στο θέμα από πριν κάποιο από αυτά τα εργαλεία φτάσει στη σκηνή. το ίδιο έκανε και ο αείμνηστος νευροεπιστήμονας Walter J. Freeman, του οποίου το έργο ενέπνευσε τον Voytek. Είναι δυνατό να κάνετε αυτό το είδος εργασίας με το χέρι, αν και είναι πολύ πιο χρονοβόρο.

Η ύπαρξη ενός εργαλείου που επιτρέπει στους νευροεπιστήμονες να εξετάζουν εύκολα τα δεδομένα τους από την άποψη των περιοδικών και απεριοδικών σημάτων είναι σημαντικό επειδή τα ίδια τα δεδομένα είναι απλώς ένα σύνολο αριθμών που συγκεντρώνονται σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Ένα γράφημα σημείων από μόνο του δεν λέει τίποτα για τη λειτουργία ή τη δυσλειτουργία του εγκεφάλου.

«Η ερμηνεία είναι αυτό που έχει σημασία στη νευροεπιστήμη, σωστά; Γιατί αυτό είναι που παίρνουμε τη λήψη κλινικών αποφάσεων και την ανάπτυξη φαρμάκων και όλα αυτά τα πράγματα», είπε ο Voytek. Ένας τεράστιος πλούτος συνόλων δεδομένων στη βιβλιογραφία έχει τη δυνατότητα να δώσει νέες γνώσεις όταν επανεξεταστεί με αυτόν τον τρόπο, είπε, και «δεν τα ερμηνεύσαμε τόσο πλούσια όσο θα έπρεπε».

Τι Σημαίνει;

Ένας μεγάλος περιορισμός στην εξερεύνηση αυτών των απεριοδικών χαρακτηριστικών από τους επιστήμονες είναι ότι κανείς δεν γνωρίζει ακριβώς τι τα προκαλεί φυσιολογικά. Απαιτείται περισσότερη έρευνα για να αποσαφηνιστούν οι αντίστοιχες συνεισφορές διαφορετικών νευροδιαβιβαστών, νευρικών κυκλωμάτων και αλληλεπιδράσεων δικτύων μεγάλης κλίμακας, δήλωσε ο Sylvain Baillet, καθηγητής νευρολογίας και νευροχειρουργικής, βιοϊατρικής μηχανικής και επιστήμης υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο McGill.

«Τα αίτια και οι πηγές δεν έχουν ακόμη εντοπιστεί», είπε ο Baillet. "Αλλά πρέπει να κάνουμε αυτή την έρευνα για να συσσωρεύσουμε γνώσεις και παρατηρήσεις."

Μια θεωρία είναι ότι τα απεριοδικά σήματα αντανακλούν κατά κάποιο τρόπο τη λεπτή ισορροπία μεταξύ διέγερσης και αναστολής που χρειάζεται ο εγκέφαλος για να παραμείνει υγιής και ενεργός. Η υπερβολική διέγερση μπορεί να υπερφορτώσει τον εγκέφαλο, ενώ η υπερβολική αναστολή μπορεί να τον αποκοιμίσει, είπε ο Lendner.

Ο Knight πιστεύει ότι η εξήγηση είναι στο σωστό δρόμο. "Δεν θα ήθελα να πω ότι είμαι θετικός ότι πρόκειται για αλλαγή αναλογίας αναστολής-διέγερσης, αλλά νομίζω ότι είναι η πιο φειδωλή εξήγηση", είπε.

Μια εναλλακτική ιδέα είναι ότι τα απεριοδικά σήματα απλώς αντικατοπτρίζουν τη φυσική οργάνωση του εγκεφάλου.

Με βάση τον τρόπο με τον οποίο άλλα φυσικά συστήματα αντικατοπτρίζουν το 1/f συμπεριφορές, ο Ward πιστεύει ότι θα μπορούσε να υπάρχει κάποιο είδος δομικής, ιεραρχικής σχέσης στον εγκέφαλο που προκαλεί την απεριοδική δραστηριότητα. Για παράδειγμα, αυτό μπορεί να προκύψει από τον τρόπο με τον οποίο τεράστιοι αριθμοί νευρώνων οργανώνονται σε ομάδες, οι οποίες στη συνέχεια σχηματίζουν μεγαλύτερες περιοχές που συνεργάζονται.

Εγκεφαλική δραστηριότητα που σχετίζεται με 1/f οι τάσεις μπορεί να είναι ιδανικά κατάλληλες για την επεξεργασία των αισθητηριακών εισροών στο φυσικό περιβάλλον, καθώς αυτό συχνά εμφανίζει 1/f -Τυπικές διακυμάνσεις, είπε. Η μελέτη της το 2018 στο The Journal of Neuroscience διερευνά πώς ο εγκέφαλος μπορεί να κάνει προβλέψεις για ήχους που έχουν επίσης 1/f ιδιότητες, υποδηλώνοντας ότι η απεριοδική δραστηριότητα «εμπλέκεται στην επεξεργασία και την πρόβλεψη νατουραλιστικών ερεθισμάτων», είπε σε ένα email. Δεν της προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η μουσική, από την τζαζ μέχρι τον Μπαχ, μπορεί επίσης να έχει 1/f ιδιότητες — τελικά, η μουσική είναι δημιούργημα του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Για να ελέγξουν υποθέσεις σχετικά με το από πού προέρχονται τα απεριοδικά σήματα, είπε ο Voytek, οι ερευνητές πρέπει να εξετάσουν πιο προσεκτικά τι είδους νευρωνικά κυκλώματα θα μπορούσαν να τα δημιουργήσουν. Οι νευροεπιστήμονες μπορούν στη συνέχεια να προσπαθήσουν να συνδέσουν τοποθεσίες με αυτά τα κυκλώματα με τη συνολική φυσιολογία του εγκεφάλου για μια καλύτερη ιδέα για το ποιοι νευρικοί μηχανισμοί δημιουργούν συγκεκριμένα μοτίβα δραστηριότητας και για να προβλέψουν πώς θα φαίνονται τα απεριοδικά και περιοδικά σήματα σε διαφορετικές εγκεφαλικές διαταραχές.

Η Voytek ελπίζει επίσης να κάνει περισσότερες μελέτες μεγάλης κλίμακας που θα εφαρμόζουν τον κώδικα σε υπάρχοντα σύνολα δεδομένων για να πειράζουν τα ανεκμετάλλευτα σήματα.

Ο Lendner και ο Knight αναλύουν επί του παρόντος δεδομένα για ασθενείς σε κώμα στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα για να δουν εάν η απεριοδική δραστηριότητα συσχετίζεται με τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσεται ένα κώμα. Η πρόβλεψή τους είναι ότι εάν ένα άτομο βγαίνει από κώμα, η αύξηση της δραστηριότητας υψηλής συχνότητας στον εγκέφαλο θα εμφανιστεί ως αλλαγή στο 1/f κλίση. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα είναι ελπιδοφόρα, είπε ο Lendner.

Για τον Baillet, τα απεριοδικά σήματα στον εγκέφαλο μοιάζουν λίγο με τη σκοτεινή ύλη, το αόρατο ικρίωμα του σύμπαντος που αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας. Δεν καταλαβαίνουμε από τι είναι φτιαγμένο ή ποιες είναι οι ιδιότητές του, αλλά βρίσκεται εκεί έξω στο ουράνιο υπόβαθρο, κρατώντας κρυφά τον Γαλαξία μαζί.

Οι επιστήμονες δεν έχουν καταλάβει ακόμα τι προκαλεί αυτά τα απεριοδικά σήματα, αλλά μπορεί επίσης να αντικατοπτρίζουν μια βασική δομή υποστήριξης για το σύμπαν στα κεφάλια μας. Κάτι μυστηριώδες μπορεί να βοηθήσει το μυαλό μας να μην αφυπνίσει τη ζωή σε λήθαργο.