Aivot mikroskoopin alla: Optimaalinen tiedonkäsittely purettu!

Aivot mikroskoopin alla: Optimaalinen tiedonkäsittely purettu!

Dresdenin teknillinen yliopisto julkaisi 9. maaliskuuta 2025 uraauurtavia havaintoja siitä, miten ihmisen aivot toimivat suhteessa tiedonkäsittelyyn. Vuonna tehdyssä tutkimuksessa Proceedings of the National Academy of Sciences julkaistiin, kansainväliset tutkimusryhmät Dresdenistä, Tübingenistä, Pariisista ja Shanghaista selittivät, kuinka aivot käsittelevät tietoa tehokkaasti ja mukautuvat joustavasti muuttuviin haasteisiin. Tämä uusi tutkimus antaa käsityksen kriittisyyden ja tehokkaan koodauksen periaatteista, mikä vähentää redundantteja signaaleja.

Tiedemiehet kehittivät matemaattisen mallin, joka simuloi hermoverkkoja aivojen suorituskyvyn tutkimiseksi. He suorittivat kokeen, jossa he vaihtelivat verkkojen melutasoa. Tulokset osoittivat, että keskitasoinen melutaso johtaa maksimaaliseen suorituskykyyn. Kohtalainen melutaso parantaa tiedonkäsittelyä, kun taas liian vähän tai liian paljon melua heikentää joustavuutta ja tehokkuutta. Nämä havainnot tukevat hypoteesia, että aivot voivat saavuttaa tasapainon tarkkuuden ja joustavuuden välillä optimaalisissa meluolosuhteissa.

Kriittisyys hermostossa

Kriittisyyden käsitteellistäminen kuvaa tilaa, jossa aivot reagoivat optimaalisesti ulkoisiin vaikutuksiin. Tutkimuksen mukaan esiintyi tyypillisiä kriittisyyden tunnusmerkkejä, mukaan lukien niin sanotut "hermovyöryt". Liiallinen synkronisuus neuronien välillä rajoittaa sen joustavuutta, kun taas kaoottiset kuviot liiallisella kohinalla voivat heikentää tiedonkäsittelyn tehokkuutta. Liiallinen järjestys hermopiireissä voi johtaa psyykkisiin häiriöihin, mikä on nähtävissä skitsofrenian, masennuksen ja pakko-oireisen häiriön patogeneesissä.

Näistä tutkimuksista saatu tieto aivojen tasapainosta voi avata uusia hoitovaihtoehtoja mielenterveyshäiriöille. Siten skitsofrenian hyperconnectivity korostaa kaoottista hermosolujen toimintaa, kun taas masennus perustuu liialliseen järjestykseen. Nämä kriittisyyden näkökohdat voisivat myös johtaa tietä kehitettäessä mukautuvampia ja vankempia tekoälyjärjestelmiä, jotka ovat saaneet vaikutteita ihmisaivoista.

Kognitiivisen neurotieteen rooli

Kielin Christian Albrechts -yliopisto on myös mukana hermoston tiedonkäsittelyn tutkimuksessa. Tässä tutkitaan, miten biologista tiedonkäsittelyä voidaan siirtää teknisiin järjestelmiin energiatehokkaiden tietokonearkkitehtuurien kehittämiseksi. Viimeisimmät tulokset, julkaistu lehdessä Tieteelliset raportit, osoittavat, että ihmisen aivot käyttävät noin 25 wattia jokapäiväisessä elämässä, kun taas nykyaikaiset tietokoneet ja älypuhelimet vaativat huomattavasti enemmän energiaa. Niin sanottu "kriittisten aivojen hypoteesi" toimii perustana ymmärtää, miksi aivot toimivat nopeimmin ja energiatehokkaimmin kriittisessä tilassa.

Tutkimustulokset osoittavat, että sisäisten mekanismien lisäksi myös ulkoiset vaikutukset voivat vaikuttaa kriittisen tilan muodostumiseen. Nämä havainnot tehtiin matemaattisen mallintamisen avulla keinotekoisissa verkoissa, jotka jäljittelevät ihmisen hermoverkkojen käyttäytymistä.

Yhteenvetona voidaan todeta, että syvemmät näkemykset aivojen kriittisyydestä eivät ainoastaan ​​edistä kognition ja mielenterveyden ymmärtämistä, vaan luovat perustan tekoälyn tulevalle kehitykselle. Näiden näkökohtien jatkuva tutkiminen voisi mullistaa lähestymistavan moniin neurologisiin ja mielenterveyssairauksiin.