11. Mai 2022 – Sie wissen, dass komplizierte Gleichungen vorhersagen können, welche Geschichte in Ihrem Newsfeed auftaucht oder welches TikTok-Video Sie als nächstes ansehen werden. Aber Sie wissen vielleicht nicht, dass Mathematik uns helfen kann zu verstehen, was im Gehirn passiert, wenn wir etwas riechen.
Forscher am Del Monte Institute for Neuroscience an der University of Rochester bauen komplexe mathematische Modelle, die genau das tun – und wenn sie weitere Fortschritte machen, kann ihre Arbeit im Kampf gegen Erkrankungen des Nervensystems wie Alzheimer und Parkinson helfen.
Geruch entschlüsseln
Jedes Aroma, mit dem Sie in Kontakt kommen, löst Reaktionen in Ihrem Gehirn aus. Ob Sie es glauben oder nicht, diese Antworten können in Zahlen kodiert werden.
Ein grober Vergleich ist das Sehen und die Farben, die wir in Videospielen und auf Computerbildschirmen sehen. Computerprogrammierer haben jahrzehntelang daran gearbeitet, die Millionen von Farben Sie sehen in der realen Welt in 1s und 0s, die eine Maschine verstehen kann.
Langjährige Spieler beobachteten, wie sich die Entwicklung der Systeme von 8-Bit-Nintendos und Ataris zu 64-Bit-PlayStations und Xboxes zu den noch komplexeren und detaillierteren visuellen Displays von heute entwickelte. In jeder Phase ermöglichte die wachsende Bitgröße eine bessere Präzision und mehr Details.
Schnappschuss oder Sinfonie?
Um ein mathematisches Modell für Gerüche zu erstellen, benötigen Sie lediglich Zugang zu extrem leistungsfähiger Rechenleistung, Wissen über die Hodgkin-Huxley-Modell (das Rückgrat vieler Gleichungen in der Neurowissenschaft), ein Katalog der Unmengen von Geruchsforschung und wirklich, wirklich schlau zu sein.
„Gleichungen fungieren als mathematisches Scheinwerferlicht, um Teile des Gehirns zu beleuchten, die ansonsten möglicherweise nicht klar sind“, erklärt Krishnan Padmanabhan, PhDaußerordentlicher Professor für Neurowissenschaften an der University of Rochester und leitender Autor von a neue Studie auf das olfaktorische System des Gehirns oder den Geruchssinn.
Geruch ist einer dieser weniger gut verstandenen Teile des Gehirns, sagt Padmanabhan.
„In den letzten 30 Jahren gab es mehrere Theorien darüber, wie Gerüche verarbeitet werden“, sagt er. „In einem Modell werden Reaktionen auf Gerüche wie eine Momentaufnahme eines bestimmten Zeitpunkts dargestellt. In anderen entwickeln sich die Muster im Laufe der Zeit wie eine Symphonie.“
Padmanabhan und sein Team versuchten zu verstehen, warum es in der wissenschaftlichen Literatur so viele Geruchstheorien gibt, und mehr Erkenntnisse darüber zu gewinnen, welche wahr sind.
Also bauten er und sein Team eine Computersimulation, die nur Gleichungen verwendet, die dem Geruchssystem des Gehirns ähnlich ist. Dann änderten sie die Gleichungen, um Theorien darüber zu testen, wie das Gehirn funktioniert, wenn es auf einen Geruch trifft.
Die Ergebnisse (vorerst)
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Art und Weise, wie das Gehirn Gerüche verarbeitet, davon abhängt, was es im Moment verstehen muss.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese unterschiedlichen Modelle tatsächlich unterschiedliche Seiten derselben Medaille sein könnten“, sagt Padmanabhan. „Anstatt dass das Gehirn einen bestimmten Ansatz zur Geruchsverarbeitung wählt, wechselt das Gehirn möglicherweise zwischen verschiedenen Strategien, um Gerüche in der Umgebung zu interpretieren.“
Mit anderen Worten, das Gehirn passt seine Reaktion an das an, was in der Welt um uns herum passiert. Das ist gut, denn die Aufgabe des Gehirns ist es, das Gleichgewicht im Körper aufrechtzuerhalten und uns in allen möglichen Situationen am Leben zu erhalten, sodass Flexibilität ihm hilft, entsprechend zu reagieren. (Die Forscher haben keine spezifischen Gerüche programmiert, obwohl sie dies in Zukunft tun könnten, sagt Padmanabhan.)
Die Arbeit hat auch Auswirkungen auf die Gesundheit. Veränderungen des Geruchssinns wurden mit Hirnerkrankungen wie Parkinson und Alzheimer in Verbindung gebracht. Im Laufe der Zeit könnte ein tieferes Verständnis dieser Veränderungen zu einer besseren Erkennung und Behandlung führen.
Aber im Moment ist Padmanabhans Modell ein kleines, aber wichtiges Stück bei der Entschlüsselung des größeren Puzzles, wie das Gehirn funktioniert.
So wie 8-Bit-Grafiken zu 16-Bit führten, bis hin zu den fotorealistischen Displays, die wir heute sehen, kann Padmanabhans Modell dazu beitragen, die Grundlage für zukünftige größere und fortschrittlichere Entwicklungen zu legen.
„Bei dieser Forschung geht es darum, die Sprache der Mathematik zu verwenden, um das Gehirn zu untersuchen“, sagt Padmanabhan, „aber es nutzt auch die Dinge, die wir über das Gehirn wissen, um bessere Möglichkeiten zum Schreiben von Gleichungen und zum Erstellen von Computersystemen im Bereich der Neurowissenschaften zu inspirieren. ”