211service.com
Hersensignalen kunnen onthullen hoe wakker de hersenen van een vlieg zijn
Een foto van een persoon die tennis speelt Mohamed Nuzrath via Pixabay
Bewustzijnsniveaus zijn notoir moeilijk te meten. De gouden standaard is om functionele magnetische resonantiebeelden van de hersenen te bestuderen terwijl een individu verschillende stimuli ontvangt, zoals instructies om na te denken over het spelen van tennis. Dit verandert de activiteitspatronen in de hersenen op een meetbare manier.
Maar fMRI-machines zijn omvangrijk en duur, en de tests zijn moeilijk uit te voeren, vooral voor patiënten in coma of een toestand van minimaal bewustzijn. Een andere optie is om de elektrische activiteit van de hersenen te meten met behulp van EEG-scans. Dit is gemakkelijker, maar neurowetenschappers moeten het eens worden over een duidelijke marker van bewustzijn in deze signalen.
Er is dus dringend behoefte aan een betere manier om wat bekend staat als 'bewuste opwinding' te meten.
Voer Roberto Muñoz van de Monash University in Australië en een aantal collega's in. Deze mensen hebben een manier gevonden om het niveau van bewuste opwinding bij fruitvliegen te meten met behulp van de complexiteit van de signalen die door de hersenen worden geproduceerd. Dankzij hun techniek kunnen ze onderscheid maken tussen vliegen die verdoofd zijn en vliegen die dat niet hebben gedaan, simpelweg door naar de signalen te kijken.
Het nieuwe werk biedt een objectieve manier om bewuste opwinding te meten, gebaseerd op gevestigde ideeën uit de complexiteitstheorie. Het is mogelijk van toepassing op mensen. En het weerspiegelt een groeiende belangstelling voor nieuwe bewustzijnstheorieën die experimenteel kunnen worden getest.
Eerst wat achtergrond. Een van de belangrijkste doorbraken in de studie van bewustzijn in de afgelopen jaren is een idee dat bekend staat als geïntegreerde informatietheorie . Het idee, ontwikkeld door de neurowetenschapper Giulio Tonini, is dat een bewust systeem twee specifieke eigenschappen moet hebben.
De eerste is dat het grote hoeveelheden informatie moet verwerken. De tweede is dat deze informatie moet worden geïntegreerd in een geheel dat niet kan worden ontleed in onafhankelijke delen. Dit weerspiegelt de ervaring dat elk moment van bewustzijn een verenigd geheel is. Bewustzijn is dus een informatieverschijnsel met specifieke eigenschappen.
Een van de grote voordelen van deze theorie is dat ze zich leent voor wiskundige analyse. Natuurkundigen zoals Max Tegmark van het MIT hebben inderdaad wiskundige modellen van geïntegreerde informatietheorie ontwikkeld die toetsbare voorspellingen doen en kunnen worden aangepast om rekening te houden met waarnemingsgegevens.
De theorie voorspelt bijvoorbeeld dat de informatie die verband houdt met bewuste opwinding een bepaald niveau van complexiteit moet hebben. En daarom is de complexiteit van de informatie die het produceert een maatstaf voor bewuste opwinding.
Er is echter een probleem. De informatie die verband houdt met bewuste opwinding is duidelijk gekoppeld aan veel verschillende delen van de hersenen. Het meten van deze geïntegreerde informatie is een lastige opgave.
Maar er is een eenvoudigere benadering. Dit is om naar de informatiestroom van specifieke locaties in de hersenen te kijken en de complexiteit te meten van de tijdreeksen die het produceert. Aangezien deze tijdreeks gecorreleerd is met de mechanismen die informatie in de hersenen integreren, zou het enig inzicht moeten bieden in het bewustzijnsniveau erachter.
Tenminste, dat is de theorie. Om erachter te komen wat de praktische waarde is, bestuderen Muñoz en co de hersensignalen die worden geproduceerd door 13 fruitvliegjes, zowel wanneer ze wakker zijn als wanneer ze onder narcose zijn. Vervolgens bestuderen ze de signalen om te zien hoe complex ze zijn.
De resultaten zorgen voor interessante lectuur. We vonden de statistische complexiteit gemiddeld groter wanneer een vlieg wakker is dan wanneer dezelfde vlieg verdoofd is, zeggen ze.
Dat is belangrijk omdat het een betrouwbare manier suggereert om het niveau van bewuste opwinding te bepalen met behulp van gegevens van een enkel kanaal, in plaats van uit veel verschillende gegevensbronnen. Het suggereert ook dat er een duidelijke marker is van bewuste opwinding die niet afhankelijk is van specifieke externe stimuli.
Dat is interessant werk dat de mogelijkheid van meer gedetailleerde studies oproept. De gegevens van afzonderlijke kanalen kunnen bijvoorbeeld meer inzicht bieden in de aard van bewustzijn. Het is waarschijnlijk dat het toepassen van een vergelijkbare analyse op andere datasets, met name menselijke EEG-gegevens, zal leiden tot nieuwe ontdekkingen met betrekking tot de relatie tussen bewustzijn en complexiteit, zeggen Muñoz en co.
Het is nog niet zo lang geleden dat bewustzijn een taboe was voor onderzoekers vanwege het vermeende onvermogen om het wetenschappelijk aan te pakken. Maar het nieuwe werk weerspiegelt een hernieuwde interesse en enthousiasme in het verkennen van het bewustzijn met toetsbare hypothesen en reproduceerbare observaties. Het is duidelijk dat er spannende tijden in het verschiet liggen.
Referentie: arxiv.org/abs/1905.13173 : Onderscheidende staten van bewuste opwinding met behulp van statistische complexiteit