Neurobiolodzy wykorzystują modele matematyczne, aby odtworzyć sposób, w jaki mózg przetwarza zapachy.
Wiedza o tym, jak mózg reaguje na zapachy, może pomóc w walce z chorobami
Natalie Sabin
11 maja 2022 r. C Wiesz, że skomplikowane równania pozwalają przewidzieć, jaka historia pojawi się w Twoim kanale informacyjnym lub który filmik z TikTok obejrzysz jako następny. Ale być może nie wiesz, że matematyka może pomóc nam zrozumieć, co dzieje się w mózgu, gdy poczujemy jakiś zapach.
Naukowcy z Del Monte Institute for Neuroscience na Uniwersytecie w Rochester budują złożone modele matematyczne, które właśnie tego dokonują. Jeśli ich prace będą się rozwijać, mogą pomóc w walce z chorobami układu nerwowego, takimi jak Alzheimer czy Parkinsons.
Odkodowanie zapachu
Każdy zapach, z którym się stykamy, wywołuje reakcje w naszym mózgu. Wierzcie lub nie, ale te reakcje można zakodować w postaci liczb.
Można to z grubsza porównać do wzroku i kolorów, które widzimy w grach wideo i na ekranach komputerów. Programiści komputerowi przez dziesięciolecia pracowali nad tym, aby miliony kolorów, które widzimy w realnym świecie, podzielić na 1 i 0, które maszyna może zrozumieć.
Wieloletni gracze obserwowali ten proces, gdy systemy komputerowe przechodziły od 8-bitowych Nintendosów i Atarisów, przez 64-bitowe Playstation i Xboksy, aż po jeszcze bardziej złożone i szczegółowe wyświetlacze, jakie mamy obecnie. Na każdym etapie zwiększający się rozmiar bitów pozwalał na większą precyzję i szczegółowość.
Migawka czy symfonia?
Aby zbudować matematyczny model zapachu, wystarczy dostęp do bardzo dużej mocy obliczeniowej, znajomość modelu Hodgkina-Huxleya (stanowiącego podstawę wielu równań w neuronaukach), katalog ogromnych ilości badań nad węchem oraz bycie naprawdę, naprawdę bystrym.
Równania działają jak matematyczny reflektor oświetlający te części mózgu, które w innym przypadku nie byłyby jasne - wyjaśnia dr Krishnan Padmanabhan, profesor nadzwyczajny neuronauki na Uniwersytecie w Rochester i główny autor nowego badania na temat układu węchowego mózgu, czyli zmysłu węchu.
Jak mówi Padmanabhan, węch jest jedną z tych mniej poznanych części mózgu.
W ciągu ostatnich 30 lat powstało wiele teorii na temat tego, w jaki sposób zapach jest przetwarzany. W jednym modelu reakcje na zapachy są przedstawiane jako migawki z konkretnego momentu w czasie. W innych, wzorce ewoluują w czasie, jak symfonia.
Padmanabhan i jego zespół starali się zrozumieć, dlaczego w literaturze naukowej istnieje tak wiele teorii na temat zapachu i dowiedzieć się, które z nich są prawdziwe.
Zbudowali więc symulację komputerową, wykorzystując jedynie równania, która jest podobna do systemu mózgu odpowiedzialnego za odczuwanie zapachów. Następnie zmienili równania, aby sprawdzić teorie na temat działania mózgu w przypadku zetknięcia się z zapachem.
Wyniki (na razie)
Wyniki sugerują, że sposób, w jaki mózg przetwarza zapach, zależy od tego, co musi zrozumieć w danej chwili.
Nasze odkrycia pokazują, że te różne modele mogą być w rzeczywistości różnymi stronami tej samej monety" - mówi Padmanabhan. Zamiast wybierać jedno konkretne podejście do przetwarzania zapachu, mózg może raczej przełączać się między różnymi strategiami interpretowania zapachów w otoczeniu.
Innymi słowy, mózg dostosowuje swoje reakcje do tego, co dzieje się w otaczającym nas świecie. To dobrze, ponieważ zadaniem mózgu jest utrzymanie równowagi w organizmie i utrzymanie nas przy życiu w każdej sytuacji, więc elastyczność pomaga mu odpowiednio reagować. (Badacze nie zaprogramowali konkretnych zapachów, choć mogą to zrobić w przyszłości - mówi Padmanabhan).
Praca ta ma również znaczenie dla zdrowia. Zmiany w zmyśle węchu zostały powiązane z zaburzeniami pracy mózgu, takimi jak Parkinsons czy choroba Alzheimera. Z czasem głębsze zrozumienie tych zmian może doprowadzić do lepszego ich wykrywania i leczenia.
Na razie jednak model Padmanabhansa jest małym, ale ważnym elementem w rozszyfrowywaniu większej układanki, jaką jest funkcjonowanie mózgu.
Tak jak grafika 8-bitowa doprowadziła do 16-bitowej, a następnie do fotorealistycznych wyświetlaczy, które widzimy dzisiaj, tak model Padmanabhansa może pomóc w położeniu fundamentów pod większe i bardziej zaawansowane osiągnięcia, które dopiero nadejdą.
Jak mówi Padmanabhan, badania te polegają na wykorzystaniu języka matematyki do badania mózgu, ale także na wykorzystaniu tego, co wiemy o mózgu, do zainspirowania lepszych sposobów pisania równań i budowania systemów obliczeniowych w dziedzinie neuronauki.
