Eine neue Theorie der Gehirn-Organisation zielt auf das Mysterium des Bewusstseins

Bewusstsein ist eine im Gehirn rätselhaftesten Mysterien. Eine neue Theorie inspiriert von der Thermodynamik nimmt ein high-level-Perspektive, wie neuronale Netzwerke im Gehirn vorübergehend zu organisieren, geben Anlass zu Erinnerungen, Gedanken und Bewusstsein.

Der Schlüssel zum Bewusstsein ist die Ebbe und Flut der Energie: Wenn Neuronen funktionell tag zusammen, um die Verarbeitung von Informationen, deren Aktivitätsmuster synchronisieren, wie Wellen des Ozeans. Dieser Prozess ist inhärent geleitet von thermodynamischen Prinzipien, die wie eine unsichtbare hand, Förderung der neuronalen verbindungen, die Gunst der bewussten Wahrnehmung. Störungen in diesem Prozess brechen die Kommunikation zwischen neuronalen Netzwerken, die Anlass zu neurologischen Störungen wie Epilepsie, Autismus oder Schizophrenie.

Durch die Verwendung von thermodynamischen Prinzipien, wie Energie-Gradienten, der Ableitungs-und der Ansatz für Gleichgewicht, haben Forscher einen Weg, um zu charakterisieren, wie neuronale Phänomene, die geschehen, und wie Sie manchmal abweichen gegenüber neuropathologischen Staaten, sagte Studie Autor Dr. Jose L. Perez Velazquez in Verbindung mit der Ronin-Institut in Montclair, New Jersey.

Die Ergebnisse, finanziert durch Novela Neurotech, wurden veröffentlicht in der open-access-Zeitschrift Frontiers in Neuroscience.

Energie-Staaten als Leitprinzip

Wissenschaftler haben lange vermutet, dass Bewusstsein entsteht durch die koordinierte Aktivität zwischen Neuronen, die weit verteilt in das Gehirn. Einen Rahmen, der Global-Workspace-Theorie, die postuliert, dass einige Hirnregionen, die Integration von Informationen über Raum und Zeit, über eine große Anzahl der angeschlossenen Hirnareale, wodurch Daten, die weltweit verfügbar für verschiedene Prozesse wie Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Sprache. Eine andere Hypothese, die Integrierte Informationen, die Theorie, die besagt, dass Bewusstsein das Resultat eines stark vernetzten Gehirns, der Grad der, die quantifiziert werden können.

Trotz Jahrzehnten der Arbeit werden diese Theorien nicht direkt angehen die schwierigere Frage: Was sind die Grundsätze, die diese verbindungen so, dass das Bewusstsein entsteht im Gehirn? Als Zunehmender Anstrengung konzentriert sich auf die Kommunikation mit locked-in-Patienten und die Bestimmung von Bewusstsein, die in intelligenten Maschinen, die Verfolgung der biologischen Grundsätzen Gehirn-Organisation wird zunehmend wichtig.

Das neue Werk verbindet die klassische Physik, besonders einige Gesetze der Thermodynamik, mit modernen Aufnahmen der neuronalen Aktivität zu malen, das einen Allgemeinen Rahmen, wie Veränderungen in der freie Energie—die Menge an Verfügbarer Energie in einem system—vorübergehend synchronisiert die Aktivität in neuronalen Netzen.

Bei bewussten Zuständen, die das Gehirn aktiv integriert und trennt von sensorischen Informationen-und so verbraucht mehr Energie als wenn bewusstlos. Mit vorhandenen neuronalen Aufnahmen von der menschlichen Teilnehmer während Wachheit, Schlaf, Koma und Krampfanfälle—jeweils als ein Gehirn „macrostate“—das team fand heraus, dass die Entropie bei Bewusstsein war höher als die bei unbewussten Zuständen. Als ein Konzept, Entropie interpretiert werden kann und gemessen werden, die in spezifischer Weise. Hier die Entropie im Zusammenhang mit der Anzahl von Konfigurationen synchronisiert, oder „verbunden,“ Gehirn-Netzwerke.

„Energie wird abgeführt als mehr Neuronen verbunden werden,“ schreiben die Perez-Velazquez und Kollegen. Modelle mit thermodynamischen Gleichungen zeigen, dass gesunde und bewusste Staaten haben eine Tendenz zu größerer Verlustleistung.

Es ist jedoch nicht nur darum, wie viel freie Energie im Gehirn. Jeder macrostate besteht aus mehreren konfigurierbaren microstates. Während die bewusste Wahrnehmung, das Gehirn hat eine optimale Anzahl der angeschlossenen neuronalen Netzen, und so viele mehr microstates zur Unterstützung der Wahrnehmung. Im Gegensatz dazu, In Unbewusste Zustände wie Anfälle, es gibt zu viele verbundene neuronale Netzwerke, die sich in weniger microstates—und damit niedrigerer Entropie und höherer freier Energie, wodurch das Gehirn zu Fehlfunktionen.

„Um einen gesunden Zustände des Gehirns, dann ist es, nicht über die Gesamtmenge an Energie im Gehirn [ … ], sondern vielmehr darin, dass die Energie ist organisiert“, sagen die Autoren.

Der Allgemeine Grundsatz von Gehirn-Organisation

Gemeinsam, betrachten Gehirn-Organisation durch die Linse Energie-Gradienten und dissipation vereint in einem Theorie—oder versuchsweise, ein „Prinzip“—, kann zwischen gesunden, bewussten Gehirn Staaten von unbewussten lieben. Das team ist daher überzeugt, dass Ihr Ansatz kann verwendet werden, um weiter aufzuklären, was passiert, wenn das Bewußtsein bricht, zum Beispiel, in bestimmten epileptischen Anfällen.

Mit dem Prinzip, die Mannschaft bot eine interpretation darüber, wie die normale Aktivität des Gehirns kann der übergang in eine abnormale Zustände. Wenn Neuronen hyperactivate, es führt zu höheren als normalen Synchronität, die entweder zu lang dauert oder reicht übermäßig weiten Regionen des Gehirns. In anderen Worten, das Gehirn setzt sich auf einen Zustand, der allzu stabil. Diese Idee stimmt mit einer früheren interpretation des Bewusstseins, detailliert in die Gehirn-Verhalten-Kontinuum.

Als Ergebnis, das Gehirn hat eine geringere Entropie und damit reduzierte Fähigkeit, variable Aktivität des Gehirns Muster. Das heißt, es hat weniger microstates, wodurch weniger Konfigurationen der Interaktion in neuronalen Netzwerken, die nimmt das Gehirn seine übliche Fähigkeit, schnell und flexibel an die Außenwelt. In einigen Fällen, Bewusstsein auch zerbröselt.