Ouders hebben ervaren hoe pasgeborenen hun vinger vastpakken en vasthouden. Deze bijna onmiddellijke reactie is een van de liefste onwillekeurige bewegingen die baby's vertonen. De zenuwen van de pasgeborene voelen een aanraking, verwerken de informatie en reageren zonder een signaal naar de hersenen te hoeven sturen. Hoewel bij mensen dit vermogen heel vroeg in het leven vervaagt, het systeem dat het mogelijk maakt, biedt een bruikbaar voorbeeld voor digitale netwerken die sensoren verbinden, processors en machines om informatie in actie om te zetten.

Mijn onderzoek naar zowel het menselijk zenuwstelsel als geavanceerde telecommunicatienetwerken heeft een aantal opvallende parallellen gevonden tussen de twee, inclusief de gelijkenis tussen het zenuwstelsel van baby's en de snelle-responsnetwerken die nu worden ontwikkeld om altijd aan te kunnen, altijd verbonden netwerken van sensoren, camera's en microfoons in de huizen van mensen, gemeenschappen en werkplekken.

Deze inzichten kunnen nieuwe manieren suggereren om na te denken over het ontwerpen van toekomstige telecommunicatiesystemen, evenals nieuwe ideeën bieden voor het diagnosticeren en behandelen van neurologische aandoeningen zoals multiple sclerose, autisme spectrum stoornis en de ziekte van Alzheimer.

Een kijk op menselijke neurologie

In het algemeen, het zenuwstelsel heeft drie hoofdcomponenten:de hersenen, het ruggenmerg en het perifere zenuwstelsel.

Het perifere zenuwstelsel is verdeeld over het hele lichaam, detectie van inputs zoals druk, warmte en koude, en het overbrengen van die informatie via het ruggenmerg naar de hersenen. Dit systeem verwerkt ook de reacties van de hersenen, controle van vrijwillige bewegingen, en doet enige lokale regulatie van onwillekeurige lichaamsfuncties zoals ademhalen, spijsvertering en houdt het hart kloppend.

Het ruggenmerg verwerkt grote aantallen sensorische inputs en actiereacties die heen en weer gaan tussen de hersenen en het lichaam. Het behandelt ook onwillekeurige spierbewegingen die reflexbogen worden genoemd, zoals de knieschokreflex wanneer de arts een onderzoek uitvoert of het snelle "wegtrekken" van een hand wanneer iets heets wordt aangeraakt.

De hersenen, het centrum van de meeste verwerkingskracht van het zenuwstelsel, heeft verschillende gespecialiseerde regio's in de rechter- en linkerhersenhelft. Deze gebieden krijgen input van sensoren zoals de ogen, oren en huid, en geef output terug in de vorm van gedachten, emoties, herinneringen en beweging. Vaak, deze outputs worden ook door andere delen van de hersenen gebruikt als inputs die verfijning en leren mogelijk maken.

Bij gezonde mensen deze elementen werken in buitengewone harmonie samen door netwerken van cellen te combineren die reageren op specifieke chemicaliën, mechanische veranderingen, lichte kenmerken, temperatuurveranderingen en pijn door een proces dat sensorische transductie wordt genoemd. Deze complexiteit maakt zelfs een van de kleinste componenten van het zenuwstelsel, de zenuwvezel, of axon, een uitdaging om te studeren.

Sommige van de onderlinge verbindingen van het zenuwstelsel, lang gedacht dat het alleen fysiek was, kan ook effectief draadloos zijn. De hersenen genereren tijdens de normale werking een zeer gespecialiseerd elektrisch veld op bepaalde zenuwvezellocaties. Het meten van de kenmerken van dit veld kan aanwijzingen geven dat een brein gezond is, of dat het bepaalde neurologische aandoeningen kan hebben.

Binnen telecommunicatienetwerken

De huidige generatie geavanceerde telecommunicatienetwerken, bekend als 5G, is draadloos, en heeft drie vergelijkbare categorieën componenten.

Het digitale equivalent van het perifere zenuwstelsel is het 'internet of things'. Het is een enorm en groeiend netwerk van apparaten, voertuigen en huishoudelijke apparaten die elektronica bevatten, software en connectiviteit waarmee ze met elkaar kunnen verbinden, communiceren en gegevens uitwisselen.

Het technologische equivalent van het brein is de "cloud, " een met internet verbonden groep krachtige computers en processors die opslaan, gegevens beheren en verwerken. Ze werken vaak samen om complexe taken uit te voeren die grote hoeveelheden invoer en verwerking met zich meebrengen, voordat u de uitvoer weer via internet levert.

Tussen deze twee soorten componenten bevindt zich het ruggenmergequivalent, een nieuw type netwerk genaamd een "mist" - een spel met het feit dat het een dun gedistribueerde cloud is - opgezet om netwerkverbindingen en de resulterende verwerkingsvertragingen tussen de cloud en externe apparaten te verkorten. De processors en opslagapparaten in de mist kunnen taken aan die bijzonder snelle reacties vereisen.

Opvallende overeenkomsten

Bij het bouwen van technologische netwerken over de hele moderne wereld, mensen hebben blijkbaar – en waarschijnlijk onbewust – de menselijke neurologie gespiegeld.

Dit biedt kansen om technologische oplossingen voor netwerkproblemen te identificeren die kunnen worden aangepast in medische behandelingen voor neurologische aandoeningen waarvoor geen genezing bekend is.

Autisme spectrum stoornis, bijvoorbeeld, is een ernstige ontwikkelingsstoornis die het vermogen van mensen om te communiceren en te interageren aantast. Er wordt aangenomen dat het optreedt als gevolg van een onbalans tussen twee soorten neurale communicatie:mensen met een autismespectrumstoornis hebben te veel activiteit in neuronen die andere neuronen prikkelen en te weinig activiteit in neuronen die andere neuronen tot rust brengen. Dit is hetzelfde als wat er gebeurt als sommige links in een telecommunicatienetwerk overbelast raken, terwijl anderen het helemaal niet druk hebben. Softwaretools die grote cloud- en mistnetwerken beheren, kunnen de vraag egaliseren en telecommunicatievertragingen minimaliseren. Deze programma's kunnen ook de netwerkonevenwichtigheden bij aan autisme gerelateerde stoornissen simuleren en voorstellen doen om deze te verminderen.

Multiple sclerose is een vaak invaliderende ziekte waarbij het immuunsysteem van het lichaam de beschermende omhulsels van zenuwvezels wegvreet. Dit verstoort de informatiestroom in de hersenen, en tussen de hersenen en het lichaam. technologisch, dit is vergelijkbaar met uitval bij bepaalde netwerkaansluitpunten, die regelmatig wordt afgehandeld door berichten te verzenden via andere routes die werkverbindingen hebben. Misschien kan medisch onderzoek manieren identificeren om zenuwberichten om te leiden via nabijgelegen links wanneer sommige zenuwen niet goed werken.

Software en medicijnen samen gebruiken

De ziekte van Alzheimer is een vorm van dementie die problemen veroorzaakt met het geheugen, denken en gedrag. anno 2015, Ik presenteerde werk van mijn onderzoekslaboratorium over de ontdekking van nieuwe netwerken in de hersenen waarvan het gedrag aangaf dat de ziekte van Alzheimer een auto-immuunziekte zou kunnen zijn, zoals MS is. Dit suggereert dat een brein met Alzheimer kan zijn als een telecommunicatienetwerk dat wordt aangevallen door een indringer die niet alleen gegevens binnen het netwerk verandert, maar ook de structuur van het netwerk zelf.

Mijn onderzoeksgroep gebruikte vervolgens het menselijk immuunsysteem als inspiratiebron voor het ontwikkelen van software om computernetwerken te beschermen tegen kwaadaardige aanvallen. Deze software kan, beurtelings, worden gebruikt om de voortgang van de ziekte van Alzheimer bij een patiënt te simuleren, misschien wijzen op manieren om de effecten ervan te verminderen.

De betrokkenheid van het zenuwstelsel bij andere auto-immuunziekten, zoals diabetes type 1 en reumatoïde artritis, kan kansen bieden voor aanvullende inzichten in digitale netwerken, of manieren waarop sensoren en softwareoplossingen patiënten kunnen helpen. Volgens mij, softwaremodellen, realistischer gemaakt door klinisch onderzoek, zal onderzoekers helpen de structuur en functie van het menselijk zenuwstelsel te begrijpen en, onderweg, telecommunicatienetwerken en -diensten sneller, betrouwbaarder en veiliger maken.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.