Wie Instrumente in einem Orchester verschiedene Teile des menschlichen Gehirns zusammen arbeiten, um uns zu helfen, die Aufgaben des täglichen Lebens, angefangen von der Atmung und schlafen zu Lesen, zu Wandern und zu lernen.

Aber welche Bereiche des Gehirns in Harmonie arbeiten, um zu erreichen bestimmte Arten von Aufgaben? Und wie funktioniert diese Koordination von person zu person variieren?

Eine neue Studie, veröffentlicht am 3. April in der Wissenschaft Fortschritte untersucht diese Fragen.

Die Forschung konzentriert sich auf die Aktivität des Gehirns im Zusammenhang mit neun kognitive Systeme im Gehirn, die jeweils aus einem Netzwerk von Hirnregionen, die im Zusammenhang mit bestimmten Funktionen. Das auditorische system, zum Beispiel, hilft uns bei der Verarbeitung-sound, während die ventralen zeitlichen Zusammenhang-system ist gedacht, um uns zu helfen, erkennen von Objekten, Gesichtern, Farben und mehr.

„Wir sind mit Hilfe von computational modeling zu untersuchen, die innere Funktionsweise des Gehirns“, sagt Sarah Muldoon, PhD, University at Buffalo assistant professor für Mathematik. „Wenn eine region des Gehirns stimuliert wird, was in anderen Regionen aktiv werden, und wie werden diese Muster der Synchronisation bekommen, verteilt auf kognitive Systeme?“ 

Muldoon führte die kollaborative Studie mit Kanika Bansal, PhD, der abgeschlossen wird die Arbeit als eine gemeinsame Postdoc-Mathematik Forscher an der UB und des US Army Research Laboratory (ARL). Bansal ist jetzt ein Postdoc mit der ARL und der Columbia University.

Zwei wichtige Erkenntnisse über kognitive Systeme

Zum Abschluss der Studie, Forscher abgebildet, wie verschiedene Regionen des Gehirns wurden miteinander verbunden, die in 30 verschiedenen Personen, die über Flächen von Gewebe genannt weiße Substanz. (Die spezifischen Konnektivität Muster der Verknüpfung verschiedener Hirnregionen variiert zwischen Individuen.)

Als Nächstes die Wissenschaftler konvertiert diese Karten in computational models of jedes Thema das Gehirn und Computern zu simulieren, was passieren würde, wenn eine einzelne region, die eine person Gehirn stimuliert wurde. Die Forscher dann verwendet einen mathematischen Rahmen, der Sie entwickelt, um zu Messen, wie die Aktivität des Gehirns wurde synchronisiert über verschiedene kognitive Systeme, die in den Simulationen.

Die Studie hatte zwei große Erkenntnisse:

• Großflächige Muster in der Hirnaktivität, kann stark variieren von person zu person, wenn bestimmte kognitive Systeme aktiviert sind. Im Gegensatz dazu, ist die Aktivierung von anderen kognitiven Systemen führen können wiederholbare Muster auf den einzelnen.

  Weiter zu erklären: In computer-Simulationen, die Muster der Hirnaktivität, die entstanden, wenn einige kognitive Systeme stimuliert wurden, waren höchst stabil über verschiedene Menschen. Dies galt zum Beispiel für die auditive und medialen Standard-Modus-Systeme: Stimulation einer Hirnregion, in der diese Systeme in der Regel führte zu ähnlichen Muster der Hirnaktivität in den verschiedenen Menschen in den Simulationen mit einer ähnlichen Reihe von kognitiven Systeme immer aktiv.

  Für die anderen kognitiven Systemen, wie dem ventralen zeitlichen Zusammenhang und frontoparietale Systeme, Muster der Hirnaktivität nach stimulation variiert sehr viel zwischen den Menschen in computer-Simulationen.

• Stimulierung zwei verschiedene Regionen des Gehirns die gleichen kognitiven system führen kann unterschiedliche Muster der großen Skala der Aktivität des Gehirns in der gleichen person-aber nur für einige kognitive Systeme (wie das auditorische system).

  Für andere kognitive Systeme, ähnliche Muster der Aktivität des Gehirns entstehen können, unabhängig davon, welche Gehirnregion man stimulieren, in, dass, system. Dies gilt für die Aufmerksamkeit und subkortikalen Systemen, zum Beispiel.

Die Erforschung der Architektur des Geistes

Die Ergebnisse könnten nützlich sein, um die kognitive Wissenschaftler und Fachkräfte des Gesundheitswesens. Die Studie zeigt zum Beispiel, warum es wichtig für Gehirn-stimulation, eine Krankheit, die Behandlung, die Technik, zu hoch präzise in Bezug auf die Lage stimuliert und individuell für verschiedene Personen.

„Das Gehirn ist sehr dynamisch,“ sagt Bansal. „Verbindungen zwischen verschiedenen Regionen des Gehirns verändern kann, mit dem lernen oder verschlechtern mit dem Alter oder neurologischen Erkrankung. Konnektivität variiert auch zwischen den Menschen. Unsere Forschung hilft uns zu verstehen, diese Unterschiede und beurteilen Sie, wie kleine Veränderungen in der Organisation des Gehirns beeinflussen können großflächige Muster der Hirnaktivität im Zusammenhang mit verschiedenen kognitiven Systemen.“

Die Studie zeigt auf computational modeling als ein mächtiges Werkzeug in der kognitiven Wissenschaft.

„Computational modeling ermöglicht es uns, die Experimente, die sonst nicht möglich ist“, sagt Muldoon, wer ist ein Mitglied der Fakultät in der UB Rechen-und Daten-Fähigen Wissenschaft und Technik und Neurowissenschaft-Programme zusätzlich zu Ihrer position in der UB-Abteilung von Mathematik. „Es ist einfach nicht möglich, das zu tun diese Art der tests auf echte Menschen so computer-Simulationen ermöglichen uns die Durchführung virtueller Experimente statt.“

Die Forschung war eine Zusammenarbeit zwischen UB, ARL, Columbia University, der University of Pennsylvania, Carnegie Mellon University und der University of California, Santa Barbara. Die Studie wurde im Rahmen einer Armee Collaborative Technology Alliance.