Počítačový model simuluje snění

Ačkoli každý sní, způsob, jakým mozek vytváří snění, byl nejasný.

Vědci nyní vytvořili virtuální model mozku, který sní jako lidé.

Snění je tradičně definováno jako krátkodobé odloučení od nejbližšího okolí a zahrnuje vizionářskou fantazii o šťastných, příjemných myšlenkách, nadějích nebo ambicích. Denní snění se často objevují, když se jednotlivec nudí rutinními úkoly.

V nové studii vědci vytvořili počítačový model založený na dynamice mozkových buněk a mnoha spojeních, která tyto buňky vytvářejí se svými sousedy a s buňkami v jiných oblastech mozku.

Doufají, že model jim pomůže pochopit, proč určité části mozku spolupracují, když člověk sní nebo je duševně nečinný. To zase může jednoho dne pomoci lékařům lépe diagnostikovat a léčit poranění mozku.

"Můžeme dát našim modelovým lézím, jako jsou ty, které vidíme při cévní mozkové příhodě nebo rakovině mozku, deaktivovat skupiny virtuálních buněk, abychom viděli, jak je ovlivněna funkce mozku," řekl hlavní autor Maurizio Corbetta, MD, Lékařská fakulta Washington University v St. "Můžeme také vyzkoušet způsoby, jak posunout vzorce činnosti zpět do normálu."

Studie je nyní k dispozici online v The Journal of Neuroscience.

Vědci poprvé uznali na konci 90. let a na začátku 2000. let, že mozek zůstává zaneprázdněn, i když se nezabývá mentálními úkoly.

Vědci identifikovali několik mozkových sítí v „klidovém stavu“, což jsou skupiny různých oblastí mozku, jejichž úrovně aktivity se synchronizovaně zvyšují a snižují, když je mozek v klidu. Rovněž spojili narušení sítí spojených s poraněním mozku a nemocemi s kognitivními problémy v paměti, pozornosti, pohybu a řeči.

Nový model byl vyvinut, aby pomohl vědcům zjistit, jak anatomická struktura mozku přispívá k vytváření a údržbě sítí klidového stavu.

Vědci začali s procesem simulace malých skupin neuronů, včetně faktorů, které snižují nebo zvyšují pravděpodobnost, že skupina buněk vyšle signál.

"Svým způsobem jsme zacházeli s malými oblastmi mozku jako s kognitivními jednotkami: ne jako s jednotlivými buňkami, ale jako se skupinami buněk," řekl spoluautor Gustavo Deco, Ph.D.

"Aktivita těchto kognitivních jednotek vysílá excitační signály do ostatních jednotek prostřednictvím anatomických spojení." Díky tomu je u připojených jednotek více či méně pravděpodobné, že synchronizují své signály. “

Na základě údajů z mozkových skenů vědci sestavili 66 kognitivních jednotek na každé hemisféře a propojili je v anatomických vzorcích podobných spojením přítomným v mozku.

Vědci nastavili model tak, aby jednotlivé jednotky procházely signálním procesem při náhodně nízkých frekvencích, které byly dříve pozorovány v mozkových buňkách v kultuře a při záznamech klidové mozkové činnosti.

Dále vědci nechali model běžet, pomalu měnil vazbu nebo sílu spojení mezi jednotkami. Při konkrétní spojovací hodnotě začaly propojení mezi jednotkami vysílajícími impulsy brzy vytvářet koordinované vzorce činnosti.

"I když jsme zahájili kognitivní jednotky s náhodně nízkou úrovní aktivity, spojení umožnilo jednotkám synchronizaci," řekl Deco.

"Prostorový vzor synchronizace, který jsme nakonec pozorovali, se velmi dobře přibližuje - asi 70 procent - vzorům, které vidíme ve skenech odpočívajících lidských mozků."

Použití modelu k simulaci 20 minut činnosti lidského mozku trvalo shluku výkonných počítačů 26 hodin. Vědci však dokázali matematiku zjednodušit, aby bylo možné spustit model na typickém počítači.

"Tento jednodušší model celého mozku nám umožňuje otestovat řadu různých hypotéz o tom, jak strukturální spojení generují dynamiku mozkových funkcí v klidu a během úkolů a jak poškození mozku ovlivňuje mozkovou dynamiku a kognitivní funkce," uvedla Corbetta.

Zdroj: Washingtonská univerzita v St. Louis