Matematisk ramme udforsker, hvordan hjernen holder et slag

En ny matematisk ramme beskriver, hvordan hjernen behandler rytmen og holder et beat. Udgivet i tidsskriftet Chaos giver forskningen et potentielt nyt middel til at forstå og diagnosticere komplekse hjernesygdomme som skizofreni og Parkinsons sygdom, som ofte er karakteriseret ved forstyrret rytme.

"Mennesker og andre dyr synkroniserer med rytmiske hændelser i deres omgivelser. Hjernemekanismerne, der ligger til grund for denne evne, er dog stadig dårligt forståede," siger hovedforfatter Charles Schroeder, lektor ved New York Universitys Center for Neural Science og Institut for Psykologi. "Vores model giver indsigt i, hvordan hjernen opnår både beat-baseret synkronisering og fleksible tilpasninger til tempoændringer i miljøet."

Schroeder og hans teams matematiske model fokuserer på rollen som basalganglierne, en hjernestruktur involveret i motorisk kontrol og læring. Forskerne kombinerede deres matematiske analyse med adfærdsdata fra en tidligere undersøgelse for at give eksperimentel støtte til deres models forudsigelser.

Modellen antyder, at hjernen har to koblede neurale populationer:den ene repræsenterer regelmæssig, beat-baseret timing (en metronom-type mekanisme), og den anden, en justerbar neural oscillator, som gør det muligt for hjernen at tilpasse sin indre rytme fleksibelt til eksterne rytmeændringer.

Modellens eksperimentelle validering kom gennem en musikalsk opgave udført af menneskelige forsøgspersoner. Deltagerne lyttede til en række toner, hvis rytme gradvist steg eller faldt i hastighed, og de bankede med fingrene til takten. Forskere målte deltagernes tappenøjagtighed og fandt, at den var tæt på linje med forudsigelserne i modellen - individer blev oprindeligt forsinket i forhold til det faktiske beat, men tilpassede sig til sidst og bankede præcist, efterhånden som tempoet ændrede sig.

"En slående opdagelse var, at folk havde en tendens til at synkronisere med det forventede snarere end det faktiske beat under overgange i tempo," bemærker Schroeder. "Dette tyder på, at hjernen aktivt forudsiger den fremtidige placering af slaget, i modsætning til blot at reagere på det."

Forfatterne siger, at deres model - den første matematiske beskrivelse af de koblede neurale populationer, der menes at ligge til grund for beat-baseret synkronisering - har potentialet til at hjælpe med at forklare en bred vifte af adfærd, fra dans og musik til social koordination og sprogbehandling.

"Vi tror på, at den dobbelte oscillatorarkitektur vil give indsigt i, hvordan neurale processer tilpasser sig og tilpasser sig rytmisk sensorisk input, hvilket er afgørende for at forstå en række kognitive funktioner," siger Schroeder.