Avancerede digitale netværk ligner det menneskelige nervesystem meget

Forældre har oplevet, hvordan nyfødte griber deres finger og holder godt fast. Denne næsten øjeblikkelige reaktion er en af ​​de sødeste ufrivillige bevægelser, som babyer udviser. Den nyfødtes nerver fornemmer en berøring, behandle informationen og reagere uden at skulle sende et signal til hjernen. Selvom denne evne hos mennesker forsvinder meget tidligt i livet, systemet, der gør det muligt, er et nyttigt eksempel for digitale netværk, der forbinder sensorer, processorer og maskiner til at omsætte information til handling.

Min forskning i både det menneskelige nervesystem og avancerede telekommunikationsnetværk har fundet nogle slående paralleller mellem de to, herunder ligheden mellem babyers nervesystem og de hurtige-respons-netværk, der nu udvikles til at håndtere altid-på, altid tilsluttede netværk af sensorer, kameraer og mikrofoner i hele folks hjem, lokalsamfund og arbejdspladser.

Disse indsigter kan foreslå nye måder at tænke på design af fremtidige telekommunikationssystemer, samt give nye ideer til diagnosticering og behandling af neurologiske lidelser som multipel sklerose, autismespektrumforstyrrelse og Alzheimers sygdom.

Et syn på menneskelig neurologi

Generelt sagt, nervesystemet har tre hovedkomponenter:hjernen, rygmarven og det perifere nervesystem.

Det perifere nervesystem er fordelt over hele kroppen, føler input som tryk, varme og kulde, og at formidle den information gennem rygmarven til hjernen. Dette system håndterer også reaktionerne fra hjernen, kontrollere frivillige bevægelser, og laver en lokal regulering af ufrivillige kropsfunktioner som vejrtrækning, fordøjelse og holde hjertet bankende.

Rygmarven håndterer et stort antal sensoriske input og handlingsreaktioner, der passerer frem og tilbage mellem hjernen og kroppen. Den håndterer også ufrivillige muskelbevægelser kaldet refleksbuer, såsom knæstøtrefleksen, når lægen foretager en undersøgelse eller det hurtige "træk væk" af en hånd, når noget varmt bliver rørt.

Hjernen, centrum for det meste af nervesystemets processorkraft, har flere specialiserede regioner i dens højre og venstre hemisfære. Disse områder modtager input fra sensorer såsom øjnene, ører og hud, og returnere output i form af tanker, følelser, minder og bevægelse. I mange tilfælde, disse output bruges også af andre dele af hjernen som input, der muliggør forfining og læring.

Hos raske mennesker, disse elementer arbejder sammen i ekstraordinær harmoni ved at kombinere netværk af celler, der reagerer på specifikke kemikalier, mekaniske ændringer, lysegenskaber, temperaturændringer og smerte gennem en proces kaldet sensorisk transduktion. Denne kompleksitet gør selv en af ​​de mindste komponenter i nervesystemet, nervefiberen, eller axon, en udfordring at studere.

Nogle af nervesystemets forbindelser, længe antaget kun at være fysisk, kan også være effektivt trådløst. Hjernen genererer et højt specialiseret elektrisk felt på visse nervefibersteder under det normale forløb af dens drift. Måling af dette felts karakteristika kan give indikationer på, at en hjerne er sund, eller at den kan have visse neurologiske lidelser.

Inde i telekommunikationsnetværk

Den nuværende generation af avancerede telekommunikationsnetværk, kendt som 5G, er trådløs, og har tre lignende kategorier af komponenter.

Den digitale ækvivalent til det perifere nervesystem er "tingenes internet". Det er et stort og voksende netværk af enheder, køretøjer og husholdningsapparater, der indeholder elektronik, software og tilslutningsmuligheder, der lader dem forbinde med hinanden, interagere og udveksle data.

Den teknologiske ækvivalent til hjernen er "skyen, "en internetforbundet gruppe af kraftfulde computere og processorer, der gemmer, administrere og behandle data. De arbejder ofte sammen om at håndtere komplekse opgaver, der involverer store mængder input og behandling, før du leverer output tilbage over internettet.

I mellem disse to typer komponenter er rygmarvens ækvivalent, en ny type netværk kaldet en "tåge" – et spil på det faktum, at det er en tyndt distribueret sky – sat op for at forkorte netværksforbindelser og de deraf følgende behandlingsforsinkelser mellem skyen og fjerntliggende enheder. Processorerne og lagerenhederne i tågen kan klare opgaver, der kræver særligt hurtige reaktioner.

Slående ligheder

Ved at opbygge teknologiske netværk i hele den moderne verden, mennesker har tilsyneladende – og sandsynligvis ubevidst – spejlet menneskets neurologi.

Dette giver muligheder for at identificere teknologiske løsninger på netværksproblemer, som kan tilpasses til medicinske behandlinger af neurologiske lidelser, der ikke har nogen kendt helbredelse.

Autismespektrumforstyrrelse, for eksempel, er en alvorlig udviklingstilstand, der forringer menneskers evne til at kommunikere og interagere. Det menes at opstå som et resultat af en ubalance mellem to typer neurale kommunikationer:Mennesker med autismespektrumforstyrrelse har for meget aktivitet i neuroner, der exciterer andre neuroner, og for lidt aktivitet i neuroner, der dæmper andre neuroner. Det er ligesom, hvad der sker, når nogle links i et telekommunikationsnetværk bliver overbelastet, mens andre slet ikke har travlt. Softwareværktøjer, der administrerer store cloud- og tågenetværk, kan udjævne efterspørgslen og minimere telekommunikationsforsinkelser. Disse programmer kan også simulere – og foreslå måder at reducere – netværksubalancerne i autisme-relaterede svækkelser.

Multipel sklerose er en ofte invaliderende sygdom, hvor kroppens immunsystem tærer på nervefibrenes beskyttende belægninger. Dette forstyrrer strømmen af ​​information i hjernen, og mellem hjernen og kroppen. Teknologisk, dette svarer til udfald ved bestemte netværksforbindelsespunkter, som jævnligt håndteres ved at sende beskeder ad andre ruter, der har fungerende forbindelser. Måske kan medicinsk forskning identificere måder at omdirigere nervemeddelelser gennem nærliggende links, når nogle nerver ikke fungerer korrekt.

Brug af software og medicin sammen

Alzheimers sygdom er en form for demens, der forårsager problemer med hukommelsen, tænkning og adfærd. I 2015 Jeg præsenterede arbejde fra mit forskningslaboratorium om opdagelsen af ​​nye netværk i hjernen, hvis adfærd indikerede, at Alzheimers sygdom kan være en autoimmun sygdom, ligesom MS er. Dette tyder på, at en hjerne med Alzheimers kan være som et telekommunikationsnetværk, der bliver angrebet af en ubuden gæst, der ikke kun ændrer data i netværket, men også selve netværkets struktur.

Min forskergruppe brugte derefter det menneskelige immunsystem som inspiration til at udvikle software til at forsvare computernetværk mod ondsindede angreb. Denne software kan, på tur, bruges til at simulere udviklingen af ​​Alzheimers sygdom hos en patient, måske fremhæve måder at reducere dens virkninger på.

Nervesystemets involvering i andre autoimmune sygdomme, såsom type 1-diabetes og leddegigt, kan give muligheder for yderligere indsigt i digitale netværk, eller måder, sensorer og softwareløsninger kan hjælpe patienter på. Efter min mening, software modeller, gjort mere realistisk af klinisk forskning, vil hjælpe forskere med at forstå strukturen og funktionen af ​​det menneskelige nervesystem og, langs vejen, gøre telekommunikationsnetværk og -tjenester hurtigere og mere pålidelige og sikre.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.