Matematyka pomaga zrozumieć aktywność elektryczną w mózgu
Ludzki mózg jest centrum naszego układu nerwowego. Z tego miejsca wysyłane są wszystkie sygnały do reszty ciała. Poprzez rozległy system nerwowy wysyłane są impulsy elektryczne. Odpowiadają za wszystkie czynności w naszym ciele, również za te negatywne prowadzące do problemów neurologicznych. Jak matematyka pomoże ujarzmić te procesy?
Przez rozległe sieci neuronów umiejscowione w całym ciele, codziennie nieustannie przemieszczają się sygnały elektryczne wysyłane z mózgu. Odpowiadają one za nasze myśli, emocje i zachowania. Prawdopodobnie prowadzą również do zaburzeń psychicznych i problemów ze zdrowiem neurologicznym, gdy coś pójdzie źle.
Naukowcy w najnowszym badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Neuron” opublikowali badania, jakoby dzięki matematyce sieci neuronowej, można przewidzieć reakcje mózgu. Naukowcy chcą dotrzeć do tego, w jaki sposób przemieszczające się impulsy wpływają na aktywność mózgu jako całość. Dokładniejsze zrozumienie tych procesów pozwoliłoby uzyskiwać lepsze efekty na przykład ludziom w terapii zaburzeń psychicznych.
Prowadzenie obserwacji aktywności ludzkiego mózgu jest bardzo trudne. Wpływa na to nie tylko złożoność całej sieci włókien nerwowych, ale również niewiarygodna prędkość, z jaką przemieszczają się sygnały elektryczne, są to tysięczne części sekundy. Aby z powodzeniem śledzić te impulsy, potrzebne są kontrolowane warunki i narzędzia.
Do tego typu badań używa się specjalnych elektrod, które pomagają precyzyjnie śledzić ścieżkę sygnału. Użycie elektrod jest zawsze poprzedzone zgodą pacjenta i wykorzystywane tylko w przypadkach, w których zawiodła na przykład farmakoterapia. W badaniach prowadzonych przez naukowców brały osoby ze stwierdzoną ciężką padaczką oporną na wszelkie leki.
Zebrano grupę ochotników liczącą 550 osób chorych na padaczkę z ponad 20 szpitali z Ameryki Północnej, Azji i Europy. Za pomocą elektrod stymulowano określone obszary mózgu, jednocześnie śledząc jego aktywność. Jako podstawę do badań wykorzystano skany mózgu z rezonansu magnetycznego po to, aby mieć wgląd w rozmieszczenie sieci włókien nerwowych. Jak sygnały elektryczne wędrują po naszym mózgu? Badania sugerują, że impuls podróżuje najkrótszą możliwą drogą z jednego ośrodka do drugiego.
Drugą hipotezą jest natomiast to, że sygnały wędrują poprzez dyfuzję sieciową. Gdy sygnał dociera do węzła, rozdziela się i dryfuje dwoma różnymi drogami, im więcej skrzyżowań na ścieżkach, tym więcej rozłamów i słabszy sygnał. Jednak, gdy ścieżki ponownie się połączą, siła przepływu wzrasta na nowo, co mówi nam o tym, że cały system wpływa na przepływ sygnału. Naukowcy próbowali rozstrzygnąć spór o to, który rodzaj przepływu jest tym właściwym.
Po przeanalizowaniu wszystkich danych zebranych w czasie badania naukowcy potwierdzili tezę, że sygnały przepływają poprzez dyfuzję. Postęp w rozumieniu jak działa komunikacja mózgowa, pozwoli na zaprojektowanie lepszego schematu stymulacji mózgu, co pozwoli w przyszłości na skuteczne leczenie zaburzeń neurologicznych i psychicznych. Chodzi o przywrócenie prawidłowych ścieżek przepływu impulsów.
