Para ilmuwan masih menyatukan teka-teki bagaimana otak bekerja. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images
Cara kerja otak tetap menjadi teka-teki dengan hanya beberapa keping di tempatnya. Dari semua ini, satu bagian besar sebenarnya adalah dugaan: bahwa ada hubungan di antara keduanya struktur fisik otak dan fungsinya.
Pekerjaan otak meliputi menafsirkan input sentuhan, visual dan suara, serta berbicara, bernalar, emosi, belajar, kontrol gerakan yang baik dan banyak lainnya. Ahli saraf menduga bahwa itu adalah anatomi otak - dengan ratusan miliar serabut sarafnya - yang memungkinkan semua fungsi ini dimungkinkan. "Kabel hidup" otak terhubung dalam jaringan neurologis yang rumit yang memunculkan kemampuan luar biasa manusia.
Tampaknya jika para ilmuwan dapat memetakan serabut saraf dan koneksi mereka dan mencatat waktu impuls yang mengalir melalui mereka untuk fungsi yang lebih tinggi seperti penglihatan, mereka harus dapat memecahkan pertanyaan tentang bagaimana seseorang melihat, misalnya. Para peneliti semakin baik dalam memetakan otak menggunakan traktografi - teknik yang secara visual mewakili rute serat saraf menggunakan pemodelan 3D. Dan mereka semakin baik dalam merekam bagaimana informasi bergerak melalui otak dengan menggunakan pencitraan resonansi magnetik fungsional untuk mengukur aliran darah.
Namun terlepas dari alat-alat ini, tidak ada yang tampak lebih dekat untuk mencari tahu bagaimana kita benar-benar melihat. Neuroscience hanya memiliki pemahaman yang belum sempurna tentang bagaimana semuanya cocok bersama.
Untuk mengatasi kekurangan ini, Penelitian bioteknologi tim saya berfokus pada hubungan antara struktur dan fungsi otak. Tujuan keseluruhan adalah untuk menjelaskan secara ilmiah semua koneksi - baik anatomis dan nirkabel - yang mengaktifkan daerah otak yang berbeda selama tugas kognitif. Kami sedang mengerjakan model rumit yang lebih baik menangkap apa yang diketahui para ilmuwan tentang fungsi otak.
Pada akhirnya gambaran yang lebih jelas tentang struktur dan fungsi dapat menyempurnakan cara operasi otak mencoba untuk memperbaiki struktur dan, sebaliknya, pengobatan mencoba untuk memperbaiki fungsi.
Koneksi dekat medan listrik menyediakan tingkat komunikasi lain di dalam otak. Gambar PM / Batu via Getty Images
Titik panas nirkabel di kepala Anda
Fungsi kognitif seperti penalaran dan pembelajaran menggunakan sejumlah wilayah otak yang berbeda dalam urutan waktu. Anatomi saja - neuron dan serabut saraf - tidak dapat menjelaskan eksitasi daerah-daerah ini, secara bersamaan atau bersama-sama.
Beberapa koneksi sebenarnya "nirkabel." Ini adalah koneksi medan dekat listrik, dan bukan koneksi fisik yang ditangkap dalam trograf.
Tim peneliti saya telah bekerja selama beberapa tahun merinci asal dari koneksi nirkabel ini dan mengukur kekuatan medan mereka. Analogi yang sangat sederhana tentang apa yang terjadi di otak adalah cara kerja router nirkabel. Internet dikirim ke router melalui koneksi kabel. Router kemudian mengirimkan informasi ke laptop Anda menggunakan koneksi nirkabel. Keseluruhan sistem transfer informasi berfungsi karena koneksi kabel dan nirkabel.
Medan listrik berasal dari partikel bermuatan yang mengalir masuk dan keluar dari neuron pada simpul Ranvier yang tidak diinsulasi. ttsz / iStock via Getty Images Plus
Dalam kasus otak, sel-sel saraf melakukan impuls listrik ke lengan panjang seperti benang yang disebut akson dari tubuh sel ke neuron lain. Sepanjang jalan, sinyal nirkabel dipancarkan secara alami dari bagian sel saraf yang tidak diinsulasi. Bintik-bintik ini yang tidak memiliki isolasi pelindung yang membungkus sisa akson disebut simpul Ranvier.
Node Ranvier memungkinkan ion bermuatan untuk berdifusi masuk dan keluar dari neuron, menyebarkan sinyal listrik ke akson. Ketika ion mengalir masuk dan keluar, medan listrik dihasilkan. Intensitas dan struktur bidang-bidang ini tergantung pada aktivitas sel saraf.
Di sini di Pusat Global untuk Jaringan Neurologis kami fokus pada bagaimana ini sinyal nirkabel bekerja di otak untuk mengkomunikasikan informasi.
Dunia nonlinier otak
Investigasi tentang seberapa bersemangat daerah otak cocok dengan fungsi kognitif membuat kesalahan lain ketika mereka mengandalkan asumsi yang mengarah pada model yang terlalu sederhana.
Peneliti cenderung memodelkan hubungan sebagai linier dengan satu variabel, mengukur ukuran rata-rata dari respons wilayah otak tunggal. Ini logika di balik desain alat bantu dengar pertama - jika suara seseorang tumbuh dua kali lebih keras, telinga harus merespons dua kali lebih banyak.
Pengguna alat bantu dengar tahu bahwa hanya menggandakan input sensor adalah perbaikan yang belum sempurna. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus
Tetapi alat bantu dengar telah sangat meningkat selama bertahun-tahun karena para peneliti telah lebih memahami bahwa telinga bukan sistem linier, dan suatu bentuk kompresi nonlinier diperlukan untuk mencocokkan suara yang dihasilkan dengan kemampuan pendengar. Bahkan kebanyakan makhluk hidup tidak memiliki sistem penginderaan yang merespons secara linear, satu-ke-satu terhadap rangsangan.
Model linier mengasumsikan bahwa jika input ke sistem digandakan, output dari sistem itu juga akan berlipat ganda. Ini tidak berlaku untuk model nonlinier, di mana banyak nilai output dapat ada untuk nilai input tunggal. Dan sebagian besar ilmuwan setuju itu perhitungan neural sebenarnya nonlinier.
Sebuah pertanyaan penting dalam memahami hubungan antara otak dan perilaku adalah bagaimana otak memutuskan tindakan terbaik di antara alternatif yang bersaing. Sebagai contoh, korteks frontal otak membuat pilihan optimal oleh menghitung banyak kuantitas, atau variabel - menghitung potensi hasil, probabilitas keberhasilan dan biaya dalam hal waktu dan usaha. Karena sistem ini nonlinier, menggandakan potensi hasil dapat membuat keputusan akhir lebih dari dua kali lipat kemungkinannya.
{vembed V = 394259925} Aliran informasi melalui otak jauh lebih kompleks dan dinamis daripada yang bisa disajikan oleh model 2D.
Model linier kehilangan banyak variasi kemungkinan yang dapat terjadi pada fungsi otak, terutama yang melampaui apa yang disarankan oleh struktur anatomi. Ini seperti perbedaan antara representasi 2D dan 3D dari dunia di sekitar kita.
Model linier saat ini hanya menggambarkan tingkat rata-rata eksitasi di wilayah otak, atau aliran melintasi permukaan otak. Itu informasi yang jauh lebih sedikit daripada rekan saya dan saya gunakan ketika membangun model nonlinear kami baik dari pencitraan resonansi magnetik fungsional yang ditingkatkan dan data bioimaging medan dekat listrik. Model kami menyediakan gambar 3D aliran informasi melintasi permukaan otak dan kedalaman di dalamnya - dan membuat kami lebih dekat untuk mewakili cara kerjanya.
Otak yang tampak sehat dapat memiliki masalah fungsional. Perpustakaan Foto Sains melalui Getty Images
Anatomi normal, disfungsi fisiologis
Tim peneliti saya tertarik dengan fakta bahwa orang-orang dengan struktur otak yang tampak normal masih dapat memiliki masalah fungsional utama.
Sebagai bagian dari penelitian kami tentang disfungsi neurologis, kami mengunjungi individu di rumah sakit, kelompok pendukung berkabung, fasilitas perawatan rehabilitasi, pusat trauma dan rumah sakit perawatan akut. Kami secara konsisten terkejut menyadari bahwa orang yang kehilangan orang yang dicintai dapat melakukannya menunjukkan gejala yang sama untuk pasien yang didiagnosis dengan penyakit Alzheimer.
Kesedihan adalah serangkaian respons emosional, kognitif, fungsional, dan perilaku terhadap kematian atau jenis kehilangan lainnya. Ini bukan negara, melainkan proses yang bisa bersifat sementara atau berkelanjutan.
Otak yang tampak sehat dari mereka yang menderita kesedihan fisiologis tidak memiliki masalah anatomi yang sama - termasuk daerah otak menyusut dan koneksi yang terganggu antara jaringan neuron - yang ditemukan pada orang-orang dengan penyakit Alzheimer.
Kami percaya ini hanyalah salah satu contoh bagaimana hot spot otak - koneksi yang bukan fisik - ditambah kekayaan operasi nonlinear otak dapat menyebabkan hasil yang tidak akan diprediksi oleh pemindaian otak. Kemungkinan ada lebih banyak contoh.
Gagasan-gagasan ini dapat menunjukkan jalan ke mitigasi kondisi neurologis yang serius melalui cara noninvasif. Terapi bereavement dan alat neuromodulasi medan dekat noninvasif dapat mengurangi gejala yang terkait dengan kehilangan orang yang dicintai. Mungkin protokol dan prosedur ini harus lebih luas ditawarkan kepada pasien yang menderita disfungsi neurologis di mana pencitraan memang mengungkapkan perubahan anatomi. Ini bisa menyelamatkan beberapa orang ini dari prosedur bedah invasif.
Membuat diagram semua tautan nonfisik otak menggunakan kemajuan terbaru kami dalam pemetaan medan dekat listrik, dan menggunakan apa yang kami yakini sebagai model banyak variabel nonlinier yang realistis secara biologis, akan membuat kita selangkah lebih dekat ke tempat yang ingin kita tuju. Pemahaman yang lebih baik tentang otak tidak hanya akan mengurangi perlunya prosedur operasi invasif untuk memperbaiki fungsi, tetapi juga akan mengarah pada model yang lebih baik untuk apa yang otak lakukan dengan terbaik: perhitungan, memori, jaringan dan distribusi informasi.
Tentang Penulis
Salvatore Domenic Morgera, Profesor Teknik Elektro dan Bioteknologi, Tau Beta Pi Eminent Engineer, University of South Florida
Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.
Buku terkait:
Tubuh Menjaga Skor: Otak Pikiran dan Tubuh dalam Penyembuhan Trauma
oleh Bessel van der Kolk
Buku ini mengeksplorasi hubungan antara trauma dan kesehatan fisik dan mental, menawarkan wawasan dan strategi untuk penyembuhan dan pemulihan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Napas: Ilmu Baru Seni yang Hilang
oleh James Nestor
Buku ini mengeksplorasi ilmu dan praktik pernapasan, menawarkan wawasan dan teknik untuk meningkatkan kesehatan fisik dan mental.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Paradoks Tumbuhan: Bahaya Tersembunyi dalam Makanan "Sehat" yang Menyebabkan Penyakit dan Kenaikan Berat Badan
oleh Steven R. Gundry
Buku ini mengeksplorasi hubungan antara diet, kesehatan, dan penyakit, menawarkan wawasan dan strategi untuk meningkatkan kesehatan dan kebugaran secara keseluruhan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Kode Imunitas: Paradigma Baru untuk Kesehatan Sejati dan Anti Penuaan Radikal
oleh Joel Greene
Buku ini menawarkan perspektif baru tentang kesehatan dan kekebalan, berdasarkan prinsip-prinsip epigenetik dan menawarkan wawasan dan strategi untuk mengoptimalkan kesehatan dan penuaan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Panduan Puasa Lengkap: Sembuhkan Tubuh Anda Melalui Puasa Intermiten, Hari Alternatif, dan Perpanjangan
oleh Dr. Jason Fung dan Jimmy Moore
Buku ini mengeksplorasi ilmu dan praktik puasa yang menawarkan wawasan dan strategi untuk meningkatkan kesehatan dan kebugaran secara keseluruhan.
