Otak Anda melakukan banyak orkestra informasi pada saat yang bersamaan. Audio yang disorot, CC BY

Otak manusia mengirimkan ratusan miliar sinyal saraf setiap detik. Ini adalah prestasi yang luar biasa kompleks.

Otak yang sehat harus membangun sejumlah besar koneksi yang benar dan memastikan bahwa mereka tetap akurat untuk seluruh periode transfer informasi - yang dapat memakan waktu beberapa detik, yang dalam "waktu otak" cukup lama.

Bagaimana setiap sinyal mencapai tujuan yang dituju?

Tantangan untuk otak Anda mirip dengan apa yang Anda hadapi ketika mencoba untuk terlibat dalam percakapan di pesta koktail yang bising. Anda dapat fokus pada orang yang Anda ajak bicara dan "membisukan" diskusi lainnya. Fenomena ini adalah pendengaran selektif - apa yang disebut efek pesta koktail.

Ketika semua orang di sebuah pesta besar dan ramai berbicara dengan suara yang kira-kira sama, tingkat suara rata-rata orang yang Anda ajak bicara kira-kira sama dengan tingkat rata-rata dari semua obrolan pengunjung pesta yang digabungkan. Jika itu adalah sistem TV satelit, keseimbangan sinyal dan kebisingan latar belakang yang kira-kira sama ini akan menghasilkan penerimaan yang buruk. Namun demikian, keseimbangan ini cukup baik untuk membuat Anda memahami percakapan di pesta yang ramai.

Bagaimana otak manusia melakukannya, membedakan antara miliaran "percakapan" yang sedang berlangsung di dalam dirinya sendiri dan mengunci pada sinyal spesifik untuk pengiriman?

Penelitian tim saya ke dalam jaringan neurologis otak menunjukkan ada dua kegiatan yang mendukung kemampuannya untuk membangun koneksi yang dapat diandalkan di hadapan kebisingan latar belakang biologis yang signifikan. Meskipun mekanisme otaknya cukup kompleks, kedua aktivitas ini bertindak sebagai apa yang disebut insinyur listrik filter yang cocok - elemen pemrosesan yang digunakan dalam sistem radio berkinerja tinggi, dan sekarang diketahui ada di alam.

Neuron bernyanyi dengan harmonis

Mari luangkan waktu sejenak untuk fokus hanya pada satu dari ratusan miliar serabut saraf di otak manusia, yang banyak di antaranya aktif pada suatu titik waktu tertentu. Mereka semua melakukan bagian mereka untuk melakukan proses pemikiran yang memungkinkan manusia berfungsi dengan sukses dan berinteraksi secara bermakna satu sama lain - kemampuan pendukung seperti orientasi, perhatian, memori, pemecahan masalah dan fungsi eksekutif.

Tim peneliti saya telah mengembangkan model yang menerjemahkan aktivitas otak biologis ke rentang yang dapat didengar manusia, jadi kami dapat mendengar otak sedang bekerja. Inilah yang terlihat seperti serabut saraf tunggal yang mengirimkan sinyal di lingkungan ideal yang bebas noise:

Ketika serat saraf yang dipilih ini mentransmisikan sinyal ke tujuan target di tempat lain di otak, itu melawan kebisingan latar belakang yang disebabkan oleh aktivitas semua serat aktif lainnya. Inilah suara dari serat yang sama yang sekarang terbenam di pesta koktail otak:

Kebisingan latar belakang di otak menstimulasi populasi kecil serabut saraf lain di sekitar serabut saraf yang kita pilih sinkronisasi dan mengirimkan kira-kira pesan yang sama. Sinkronisasi ini mengurangi efek noise dan meningkatkan kejernihan sinyal.

Ia melakukan pekerjaannya, tetapi tidak sempurna. Ini mirip dengan banyak suara yang bernyanyi dengan harmonis. Setiap suara memproyeksikan suara pada frekuensi uniknya pada setiap momen, dengan jumlah total dari banyak suara memperluas rentang frekuensi masing-masing suara individu. Pikirkan paduan suara yang mengisi aula musik dengan lagunya, sebagai lawan solois yang hanya menyanyikan satu bagian. Strategi ini memperkaya konten frekuensi, meningkatkan level sinyal yang ditransmisikan dan meningkatkan kualitas penerimaan.

Para ilmuwan menggambarkan fenomena ini sebagai munculnya suatu hubungan, atau penggabungan, antara subsistem serat saraf yang terpisah secara fisik. Ini menciptakan sistem dinamis yang lebih besar. Idenya tidak jauh berbeda dari misteri 350 yang berusia setahun, akhirnya dipecahkan, bagaimana caranya jam pendulum dipasang di dinding yang sama melakukan sinkronisasi melalui kekuatan fisik kecil yang diberikan pada balok pendukung.

Rekan-rekan saya dan saya percaya bahwa kemampuan yang sama untuk "menyelaraskan" ini dapat mengarah pada penemuan perawatan terapi noninvasif untuk gangguan neurologis seperti multiple sclerosis. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan alat neuromodulator noninvasif di permukaan kulit kepala untuk memberikan kekuatan medan listrik kustom kecil dan nonfisik ke daerah otak terkena penyakit. Dengan mengubah sinyal otak pasien secara non-invasif, kekuatan medan listrik ini akan menciptakan lingkungan jaringan neurologis yang lebih sehat untuk transfer informasi.

Seperti drum dalam sebuah band, gelombang otak membantu 'menjaga ketukan.' Josh Sorenson / Unsplash, CC BY

Otak menggulung drum

Cara kedua otak memotong kekacauan sinyal adalah apa yang disebut oleh para ilmuwan saraf sebagai kunci pengiriman. Ini peran yang dimainkan oleh ritme alami otak, dikenal sebagai gelombang otak.

Ritme otak ini diciptakan oleh sel-sel saraf yang menyala dalam pola tertentu, menyebabkan gelombang aktivitas listrik pada frekuensi yang sangat rendah, mulai dari sekitar 0.5 hingga 140 siklus per detik. Sebagai perbandingan, smartphone beroperasi di sekitar siklus 5,000,000,000 per detik. Gelombang yang membantu mengirimkan sinyal ke tujuan di lingkungan bising otak tampaknya berupa gelombang Alpha, 8 ke 13 siklus per detik, atau Gelombang Beta, 13 ke 32 siklus per detik.

Di lab saya, kami menyebut kegiatan kedua ini seperti "menggulung drum." Frekuensi gelombang otak mirip dengan sub-bass atau bass drum yang digunakan untuk menandai atau menjaga waktu di militer, rock, pop, jazz, dan orkestra tradisional. musik.

Ritme frekuensi rendah ini bertindak sebagai kunci pengiriman yang terkesan pada sinyal yang ditransmisikan sebagai frekuensi tambahan. Ini seperti bagaimana sinyal GPS menyinkronkan jaringan telekomunikasi. Katakan bahwa sinyal gelombang otak atau kunci pengiriman adalah siklus 10 per detik. Durasi waktu satu siklus adalah sepersepuluh detik, sehingga kunci pengiriman memberikan penanda waktu di titik penerimaan setiap sepersepuluh detik.

Penanda waktu ini sangat membantu dalam penerimaan akurat dari sinyal yang dikirimkan. Yang terpenting, kunci pengiriman ini hanya membuka, atau mengaktifkan, kunci di titik penerimaan yang dituju. Idenya tidak jauh berbeda dari penggunaan kata sandi untuk mendapatkan akses ke konten tertentu.

Ahli saraf percaya bahwa pilihan kunci pengiriman digunakan tergantung pada keadaan individu. Misalnya, gelombang Alpha dikaitkan dengan istirahat penuh dengan mata tertutup. Gelombang beta dikaitkan dengan kesadaran dan konsentrasi terjaga normal.

Para ilmuwan menduga bahwa yang terkait dengan setiap kunci pengiriman, atau ritme otak, adalah daftar fungsi kognitif yang konsisten dengan keadaan individu. Jadi, misalnya, sebuah sinyal yang dikirim dengan siklus 10 per detik yang terkesan oleh ritme gelombang otak Alpha sudah memiliki informasi yang dikodekan di dalamnya tentang istirahat yang terjaga.

Gelombang otak dari aktivitas listrik adalah diidentifikasi hampir 100 tahun lalu, dan peneliti terus belajar lebih banyak tentang mereka dan peran mereka dalam perilaku dan fungsi otak.

Untuk meningkatkan sistem telekomunikasi, peneliti dapat belajar dari cara otak melakukan tugasnya. Mario Caruso / Unsplash, CC BY

Pemodelan sistem yang dibangun di otak

Penelitian lab saya ke jaringan neurologis memiliki implikasi tidak hanya untuk memahami otak manusia dan mengembangkan prosedur diagnostik noninvasif dan perawatan terapeutik untuk berbagai disfungsi neurologis, tetapi juga untuk merancang sistem yang ditingkatkan untuk telekomunikasi, jaringan, keamanan siber, kecerdasan buatan dan robotika.

Sebagai contoh, otak manusia menunjukkan betapa jauh lebih canggihnya desain sistem jaringan telekomunikasi. Jaringan seluler 5G berharap dapat melayani sekitar 1 juta perangkat dalam satu mil persegi. Sebaliknya, otak manusia dapat dengan cepat membangun setidaknya 1 juta koneksi dalam a inci kubik dari jaringan otak.

Desain sistem jaringan telekomunikasi saat ini dibatasi karena pada dasarnya berasal dari prinsip-prinsip satu disiplin ilmu - teknik listrik dan komputer. Bahkan sirkuit otak yang paling sederhana, serabut saraf, yang seperti tautan dalam jaringan telekomunikasi, beroperasi dengan cara yang sangat kompleks sesuai dengan prinsip gabungan biologi, teknik kimia, teknik mesin, dan teknik listrik dan komputer.

Mendesain sistem yang serupa kemampuannya dengan otak manusia akan membutuhkan pendekatan multidisiplin yang jauh lebih tercermin dalam kelompok penelitian saya - tim yang diambil dari para ahli di bidang kedokteran, ilmu kehidupan, teknik dan bahan-bahan canggih - dan penelitian rekan.

tentang Penulis

Salvatore Domenic Morgera, Profesor Teknik Listrik dan Bioteknologi, University of South Florida

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.

books_science