Hjärnsignaler kan avslöja hur vaken en flugs hjärna är

Ett foto av en person som spelar tennis Mohamed Nuzrath från Pixabay

Medvetandenivåer är notoriskt svåra att mäta. Guldstandarden är att studera funktionella magnetiska resonansbilder av hjärnan när en individ får olika stimuli, till exempel instruktioner att tänka på att spela tennis. Detta förändrar aktivitetsmönstren i hjärnan på ett mätbart sätt.

Men fMRI-maskiner är skrymmande och dyra, och testerna är svåra att utföra, särskilt för patienter i koma eller tillstånd av minimal medvetenhet. Ett annat alternativ är att mäta hjärnans elektriska aktivitet med hjälp av EEG-skanningar. Detta är lättare, men neuroforskare måste komma överens om en tydlig markör för medvetenhet i dessa signaler.

Så ett bättre sätt att mäta vad som kallas 'medveten upphetsning' behövs desperat.

Ange Roberto Muñoz vid Monash University i Australien och ett antal kollegor. Dessa människor har hittat ett sätt att mäta nivån av medveten upphetsning hos fruktflugor med hjälp av komplexiteten hos de signaler som produceras av hjärnan. Deras teknik gör att de kan skilja mellan flugor som har blivit bedövade och de som inte har gjort det, helt enkelt genom att titta på signalerna.

Det nya verket erbjuder ett objektivt sätt att mäta medveten upphetsning, baserat på väletablerade idéer från komplexitetsteorin. Det är potentiellt tillämpbart på människor. Och det speglar ett växande intresse för nya teorier om medvetande som är experimentellt testbara.

Först lite bakgrund. Ett av de viktigaste genombrotten i studiet av medvetande de senaste åren är en idé som kallas integrerad informationsteori . Utvecklad av neuroforskaren Giulio Tonini, är tanken att ett medvetet system måste ha två specifika egenskaper.

Den första är att den måste bearbeta stora mängder information. Det andra är att denna information måste integreras till en helhet som inte kan brytas upp i oberoende delar. Detta återspeglar upplevelsen av att varje ögonblick av medvetande är en enhetlig helhet. Så medvetande är ett informationsfenomen med specifika egenskaper.

En av de stora fördelarna med denna teori är att den lämpar sig för matematisk analys. Faktum är att fysiker som Max Tegmark vid MIT har utvecklat matematiska modeller för integrerad informationsteori som gör testbara förutsägelser och kan modifieras för att ta hänsyn till observationsdata.

Teorin förutspår till exempel att informationen i samband med medveten upphetsning måste ha en viss nivå av komplexitet. Och därför är komplexiteten i informationen den producerar ett mått på medveten upphetsning.

Det finns dock problem. Informationen i samband med medveten upphetsning är tydligt kopplad till många olika delar av hjärnan. Att mäta denna integrerade information är en svår uppgift.

Men det finns ett enklare tillvägagångssätt. Detta för att titta på informationsströmmen från specifika platser i hjärnan och mäta komplexiteten i tidsserien den producerar. Eftersom denna tidsserie är korrelerad med de mekanismer som integrerar information i hjärnan, bör den ge en viss inblick i medvetenhetsnivån bakom den.

Åtminstone är det teorin. För att ta reda på dess praktiska värde studerar Muñoz och co hjärnsignalerna som produceras av 13 fruktflugor både när de är vakna och när de är sövda. De studerar sedan signalerna för att se hur komplexa de är.

Resultaten ger intressant läsning. Vi fann att den statistiska komplexiteten i genomsnitt var större när en fluga är vaken än när samma fluga är sövd, säger de.

Det är viktigt eftersom det föreslår ett tillförlitligt sätt att fastställa nivån av medveten upphetsning med hjälp av data från en enda kanal, snarare än från många olika datakällor. Det tyder också på att det finns en tydlig markör för medveten upphetsning som inte är beroende av specifika yttre stimuli.

Det är intressant arbete som ökar möjligheten till mer detaljerade studier. Till exempel kan data från enskilda kanaler erbjuda fler insikter om medvetandets natur. Det är troligt att tillämpning av en liknande analys på andra datauppsättningar, i synnerhet mänsklig EEG-data, kommer att leda till nya upptäckter angående förhållandet mellan medvetande och komplexitet, säger Muñoz och co.

Det var inte så länge sedan som medvetande var ett tabuämne för forskare på grund av den upplevda oförmågan att ta itu med det vetenskapligt. Men det nya verket speglar ett nyfunnet intresse och entusiasm för att utforska medvetandet med testbara hypoteser och reproducerbara observationer. Det är klart att det är spännande tider framför oss.

Ref: arxiv.org/abs/1905.13173 : Särskiljande tillstånd av medveten upphetsning med hjälp av statistisk komplexitet

Dölj