Arvutimudel simuleerib unistusi

Ehkki kõik unistavad, on aju unenägude loomise viis olnud ebaselge.

Nüüd on teadlased loonud aju virtuaalse mudeli, mis unistab nagu inimesed.

Unistamine on traditsiooniliselt määratletud kui lühiajaline eraldumine oma lähiümbrusest ja see hõlmab nägemuslikku fantaasiat õnnelikest, meeldivatest mõtetest, lootustest või ambitsioonidest. Sageli tekivad unenäod siis, kui inimesel on rutiinsed ülesanded igavaks.

Uues uuringus lõid teadlased arvutimudeli, mis põhineb ajurakkude dünaamikal ja paljudel seostel, mida need rakud loovad oma naabrite ja teiste ajupiirkondade rakkudega.

Nad loodavad, et mudel aitab neil mõista, miks teatud ajuosad töötavad koos, kui inimene unistab või on vaimselt jõude. See võib omakorda aidata ühel päeval arstidel ajukahjustusi paremini diagnoosida ja ravida.

"Võime anda oma mudeli kahjustused, nagu näeme insuldi või ajuvähi korral, blokeerides virtuaalsete rakkude rühmad, et näha, kuidas aju funktsioon mõjutab," ütles vanemautor Maurizio Corbetta, MD, Washingtoni ülikooli meditsiinikool St. "Saame proovida ka viise, kuidas tegevusmudelid normaalseks muuta."

Uuring on nüüd veebis saadaval Ajakiri Neuroscience.

Teadlased tõdesid esimest korda 1990. aastate lõpus ja 2000. aastate alguses, et aju on hõivatud ka siis, kui ta ei tegele vaimsete ülesannetega.

Teadlased on tuvastanud mitu „puhkeseisundi“ ajuvõrku, mis on erinevate ajupiirkondade rühmad, mille aktiivsuse tase tõuseb ja langeb sünkroonis, kui aju on puhkeolekus. Samuti on nad seostanud ajutraumade ja haigustega seotud võrkude katkemist mälu, tähelepanu, liikumise ja kõne kognitiivsete probleemidega.

Uus mudel töötati välja selleks, et aidata teadlastel õppida, kuidas aju anatoomiline struktuur aitab puhkeseisundi võrkude loomisel ja hooldamisel.

Teadlased alustasid väikeste neuronirühmade simuleerimise protsessist, sealhulgas teguritest, mis vähendavad või suurendavad rakkude rühma signaali saatmise tõenäosust.

"Mõnes mõttes käsitlesime aju väikseid piirkondi nagu kognitiivseid üksusi: mitte üksikute rakkudena, vaid rakkude rühmadena," ütles kaasautor Gustavo Deco.

„Nende kognitiivsete üksuste tegevus saadab anatoomiliste ühenduste kaudu teistele üksustele ergastussignaale. See muudab ühendatud üksused oma signaalide sünkroniseerimiseks enam-vähem tõenäoliseks. "

Aju skaneerimise andmete põhjal panid teadlased igale poolkerale kokku 66 kognitiivset üksust ja ühendasid need anatoomiliste mustritega, mis olid sarnased ajus esinevate ühendustega.

Teadlased seadistasid mudeli nii, et üksikud üksused läbisid signaalimisprotsessi juhuslikult madalatel sagedustel, mida oli varem täheldatud kultuuris olevates ajurakkudes ja puhkava ajutegevuse salvestistes.

Järgmisena lasid teadlased mudelil töötada, muutes aeglaselt ühikut või üksuste vaheliste ühenduste tugevust. Konkreetse sidumisväärtuse korral hakkasid impulsse edastavate üksuste vahelised ühendused peagi looma kooskõlastatud tegevusmustreid.

"Kuigi alustasime kognitiivseid üksusi juhusliku madala aktiivsustasemega, võimaldasid ühendused üksustel sünkroonida," ütles Deco.

"Sünkroniseerimise ruumiline muster, mida me lõpuks täheldasime, läheneb väga hästi - umbes 70 protsendile - mustritele, mida näeme puhanud inimese aju skaneerimisel."

Mudeli kasutamine inimese ajutegevuse 20-minutise simuleerimiseks võttis võimsate arvutite klastri 26 tundi. Kuid teadlased suutsid matemaatikat lihtsustada, et oleks võimalik mudelit tavalises arvutis käitada.

"See lihtsam kogu ajumudel võimaldab meil testida mitmeid erinevaid hüpoteese selle kohta, kuidas struktuursed ühendused genereerivad aju funktsiooni dünaamikat puhkeolekus ja tööülesannete ajal ning kuidas ajukahjustus mõjutab aju dünaamikat ja kognitiivset funktsiooni," ütles Corbetta.

Allikas: Washingtoni ülikool St. Louis'is