Неврологи используют математические модели для воспроизведения того, как мозг обрабатывает запахи.
Знание того, как мозг реагирует на запахи, может помочь в борьбе с болезнями
Натали Сабин
11 мая 2022 C Вы знаете, что сложные уравнения могут предсказать, какая история появится в вашей новостной ленте или какое видео на TikTok вы посмотрите следующим. Но вы, возможно, не знаете, что математика может помочь нам понять, что происходит в мозге, когда мы чувствуем запах.
Исследователи из Института нейронаук Дель Монте при Рочестерском университете строят сложные математические модели, которые позволяют сделать именно это. Если они будут продолжать добиваться успехов, их работа может помочь в борьбе с заболеваниями нервной системы, такими как болезни Альцгеймера и Паркинсона.
Расшифровка запаха
Каждый аромат, с которым вы соприкасаетесь, вызывает ответную реакцию в вашем мозге. Хотите верьте, хотите нет, но эти реакции могут быть закодированы в цифрах.
Грубое сравнение - зрение и цвета, которые мы видим в видеоиграх и на экранах компьютеров. Компьютерные программисты десятилетиями работали над тем, чтобы разложить миллионы цветов, которые вы видите в реальном мире, на 1 и 0, понятные машине.
Давние геймеры наблюдали, как это происходило по мере развития систем от 8-битных Nintendo и Ataris до 64-битных PlayStation и Xbox и до еще более сложных и детализированных визуальных дисплеев сегодня. На каждом этапе увеличение размера бита позволяло добиться большей точности и детализации.
Снимок или симфония?
Чтобы построить математическую модель запаха, достаточно иметь доступ к чрезвычайно мощным вычислительным мощностям, знать модель Ходжкина-Хаксли (основа многих уравнений в нейронауке), ознакомиться с каталогом огромного количества исследований по запахам и быть очень, очень умным.
Уравнения действуют как математический прожектор, освещающий части мозга, которые иначе могут быть неясны, объясняет Кришнан Падманабхан, доктор философии, доцент кафедры нейронаук Рочестерского университета и старший автор нового исследования, посвященного обонятельной системе мозга, или чувству обоняния.
По словам Падманабхана, обоняние - одна из тех менее изученных частей мозга.
За последние 30 лет появилось множество теорий о том, как происходит обработка запахов, говорит он. В одной модели реакции на запахи представлены как моментальный снимок конкретного момента времени. В других - паттерны развиваются с течением времени, подобно симфонии.
Падманабхан и его команда стремились понять, почему в научной литературе существует так много теорий о запахах, и выяснить, какие из них верны.
Поэтому он и его команда построили компьютерную симуляцию, используя только уравнения, которая похожа на мозговую систему обоняния. Затем они изменили уравнения, чтобы проверить теории о том, как работает мозг, когда сталкивается с запахом.
Выводы (на данный момент)
Результаты показывают, что способ обработки запаха мозгом зависит от того, что ему нужно понять в данный момент.
Наши результаты показывают, что эти различные модели на самом деле могут быть разными сторонами одной медали, - говорит Падманабхан. Вместо того чтобы мозг выбирал один конкретный подход к обработке запаха, он может переключаться между различными стратегиями интерпретации запахов в окружающей среде.
Другими словами, мозг адаптирует свою реакцию к тому, что происходит в окружающем нас мире. Это хорошо, потому что работа мозга заключается в поддержании баланса в организме и сохранении нашей жизни в любых ситуациях, поэтому гибкость помогает ему реагировать соответствующим образом. (Исследователи не программировали конкретные запахи, хотя, по словам Падманабхана, они могут сделать это в будущем).
Работа имеет значение и для здоровья. Изменения в обонянии были связаны с такими заболеваниями мозга, как болезни Паркинсона и Альцгеймера. Со временем более глубокое понимание этих изменений может привести к более эффективному выявлению и лечению.
Но пока модель Падманабханса - это маленький, но важный кусочек в расшифровке головоломки работы мозга.
Подобно тому, как 8-битная графика привела к 16-битной и далее к фотореалистичным дисплеям, которые мы видим сегодня, модель Падманабханса может помочь заложить основу для более значительных и более продвинутых разработок в будущем.
Это исследование - использование языка математики для изучения мозга, говорит Падманабхан, но это также использование того, что мы знаем о мозге, чтобы вдохновить на лучшие способы написания уравнений и создания систем для вычислений в области нейронаук.
