Time to Network: Brain Areas and their Function

1.6 Time to Network: Brain Areas and their Function

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Hello neuro adventurers.
We're nearing the end of our safari through the land of neurobiology.
I have my adventure hat on. Do you?
In the last two lectures, we had close encounters with those wild creatures
called neurons, and their close companions.
The synapses. In this lecture we'll stop at a few
tourist destinations in the nervous system.
The nervous system has two parts. The peripheral nervous system and the
central nervous system. We'll make a stop first at the peripheral
nervous system. The peripheral nervous system consists of
two components, the somatic and the autonomic nervous systems.
Let's first look at the somatic nervous system.
The somatic system consists of nerves connecting to all of your voluntary
muscles and your sensory receptors. Now what do we mean by nerves?
A nerve is nothing but a bundle of axons. So you'll recall that axons are the
output cables of neurons. And so, a collection of axons or bundle
of axons would correspond to what we call a nerve.
Now, let's take an example of where we see the somatic system in action.
So, suppose you are about to shake the hand of one of your friends.
Now in order to shake your friend's hand you have to move your arm and your hand
towards the person's hand. So in doing so you're going to be using
the somatic nervous system to send commands from your brain and spinal cord.
To your hand and arm to move towards the person's arm and hand.
And in return, when you shake your friend's hand, you're going to get the
sensation of shaking your friend's hand through the sensory receptors.
That are on your skin in your hand. And so, in doing so we are using two
different kinds of nerve fibers. The first one is called, afferent nerve
fibers, and these correspond to all the axons that are carrying sensory
information from the periphery. Which in this case the hand to the
central nervous system, which is your brain and your spinal cord.
Now, in order to shake your friend's hand, you send some commands from your
brain to the muscles in the hand. In doing so, you were using what are
called efferent nerve fibers. These are the outgoing nerve fibres, or
axons that are carrying information from the central nervous system, which is the
brain and the spinal cord, outward towards the periphery, which in this case
are the muscles in your, hand. The second component of the peripheral
nervous system is the autonomic nervous system.
And the autonomic system consists of nerves that connect to all of your
internal organs such as the heart, blood vessels, various smooth muscles and
glands. And the autonomic nervous system largely
operates below the level of consciousness.
And it regulates various vital functions such as your heart rate, digestion,
respiratory rate, etc. And it's also responsible for some
important functions, such as the fight or flight response.
The other major part of the nervous system is the central nervous system, or
CNS. The CNS consists of the spinal cord and
the brain, and so let's first look at the spinal cord.
Now remember the time that you were extremely hungry and you baked a pizza in
your oven, and when you reached in to get your pizza out you accidentally touched
the extremely hot pizza pan. Now even before you could say the word
ouch. Your hand had already been drawn from the
pizza pan. How did that happen?
Well you can thank something called the reflex arc, that is implemented via the
spinal cord, so here's a diagram of the reflex arc.
And so when your hand touched the extremely hot pan, the information was
conveyed to set off neurons in your spinal cord, and that in turn triggered
spikes that activated the muscles that then withdrew the hand from the extremely
hot pan. And so the spinal cord is responsible for
such local feedback loops, that are called reflex arcs.
Now if that's the only thing that the spinal cord did then things wouldn't be
that interesting, and we would lead basically lives that are just full of
reflexes. But instead the spinal cord also has.
Information coming in from higher brain centers, so these are motor control
signals coming from the brain and these activate spinal motor neurons in specific
ways. So for example the brain could tell the
spinal neurons to implement the procedure for walking and so you would be walking.
through the help of your spinal neurons, while the brain could perhaps be doing
other more interesting things such as, you know, talking to your best friend on
your cell phone. Now, as you're doing that, you might
actually trip over a rock that you didn't see.
And so, in that case, you do need to commit that information up to your brain.
And perhaps that'll interrupt your talking on the cell phones.
In that case, these ascending sensory axons convey the information from muscles
and the skin. Back to the brain so that the brain can
take appropriate actions. And so, the spinal cord not only executes
local feedback moves, but it also uses information from the brain to regulate
the behaviors. And as well as convey information or
feedback from the other parts of the body to the brain, so that the brain can take
the appropriate actions. Now we've been talking a lot about the
brain. What are the major regions of the brain?
And what functions are these brain regions involved in.
Let's do a quick tour. Let's start from the rear of the brain.
This is the region called the hindbrain, and the hindbrain consists of three
different regions. So, the first one is the Medulla
Oblongata. And this structure controls basic
functions such as breathing, muscle tone and blood pressure.
The second structure is the pons, and that's the structure over here.
And it's involved in sleep and arousal. And it's also connected to the
cerebellum, which is the. Other major structure in the hindbrain.
So the cerebellum is involved in a lot of things, including voluntary movements,
maintaining a sense of equilibrium, and more recently it's also been implicated
in language and attention. As we move towards the middle of the
brain, we encounter, quite appropriately The midbrain and something called, the
reticular formation. The midbrain controls things like, eye
movements and your visual and auditory reflexes.
So for example, if there was a loud bang in some particular location around you?
You have a reflex, an auditory reflex. That will make you orient yourself
towards where the loud bang came from, and that's being implemented by your
midbrain. The reticular formation performs a lot of
basic functions including breathing, pain perception, it's involved in some muscle
reflexes. It also regulates your sleep and
wakefulness, as well as, your arousal. Near the center of our brains, we find an
important structure known as the thalamus.
The thalamus consists of a number of nuclei.
What are nuclei? Nuclei are essentially clusters of
neurons that can be defined anatomically. The thalamus is traditionally regarded as
a relay station for all the sensory information coming in from our sensory
organs, such as the eyes and the ears. And the sensory information is conveyed
to the cortex, the structure that we will consider in the next slide.
Now, interestingly the sense of smell is not conveyed through the thalamus.
It goes directly to the cortex. the thalamus also regulates sleep and
wakefulness. The other structure that is right below
the thalamus anatomically is the hypothalamus, and the hypothalamus
regulates our basic needs or if you want to call it the four F's.
Fighting, fleeing, feeding and mating. We finally reached the pinnacle of the
brain and indeed some say the pinnacle of evolution.
The cerebrum. The cerebrum consists of the cerebral
cortex along with other structures, such as the basal ganglia, the hippocampus,
and the amygdala. The cerebrum is involved in a diverse set
of functions ranging from perception and action.
Two various cognitive functions including, learning and memory.
Now one of the most important structures in the cerebrum is the cerebral cortex.
And the cerebral cortex plays a very important role in, especially, functions
that define what it means to be human, such as language.
So let's look at the cerebral cortex in a little bit more detail.
The cerebral cortex is a layered sheet of neurons.
It's about one eighth of an inch thick. The famous computational neuroscientist
Christof Koch has likened the cerebral cortex to basically a 14 inch pizza that
has been stuffed inside of your skull. Now here is the sheet that forms the
cerebral cortex, and you can see that when you enlarge a portion of it.
It consists of these layers. Of neurons.
And the cerebral cortex contains about 30 billion neurons.
And each of these neurons makes approximately 10,000 synapses.
And that leaves us with a staggering total of 300 trillion connections just in
the cerebral cortex. Now here's an intriguing fact about the
cerebral cortex. It has six layers of neurons, and it
seems to be relatively uniform in structure across different cortical
areas. So if I gave you some cortical tissue
from that cortical area, and that cortical area, you'd be hard pressed to
find. Any differences between this cortical
area where it says another cortical area. And if you look at the way that the
inputs and the outputs are organized. You again find some regularities.
So the input which might come for example from the thalamus.
Seems to always terminate in the middle layers, or layer four.
And then the output back to the thalamus for example, seems to come always from
layer six. And then the output to other subcortical
regions, or regions that are below the cortex, tend to come from layer five.
Similarly, the output to so called higher cortical areas.
Or areas that process more abstract information.
Tend to come from the, so called, superficial layers.
Or layers two and three. Whereas the input or the feedback from
these higher cortical areas. Come and terminate in layer one besides a
few other layers. And so, the suggestion that's being made
is that there might be a common computational principle that is operating
across cortex. Now if that's true or not, or what is
that computational principle. Is something that perhaps you as a
computational neuroscience researcher can try to unravel, or we might make that a
homework problem. Okay great, so now that we've learned
about brain regions how do they interact to produce cognition and behavior?
Well I'm sorry to say that we don't know fully yet.
But, I'm an optimist, and I think in the next 30 to 50 years we might be able to
figure this out based on a whole bunch of techniques that have been invented
ranging from electrophysiological, optical optogenesis, molecular,
functional imaging, psychophysical, and various anatomical, and connectomic.
Studies, as well as traditional brain damage or lesion studies.
Okay, so let's now do a head to head comparison of neural versus digital
computing. Are you ready?
Here we go. First, device count.
The human brain has, as we've mentioned earlier, 100 billion neurons, and each of
these neurons has up to 10,000 connections.
The silicon chip on the other hand has, you know, pretty comparable to the human
brain in terms of the number of neurons. We have about 10 to the 10 transistors,
but these transistors are very sparsely connected, so the brain wins in terms of
the number of connections per component. What about device speed.
So biology has up to a 100 microsecond temporal resolution for some neurons, but
digital circuits are approaching now a 100 picosecond clock or 10 gigahertz.
And so digital circuits pretty much beat biology hands down when it comes to
device speed. But then how does biology, the brain,
actually outperform digital circuits in some particular tasks, such as perception
of fast object recognition, speech recognition and so on.
Well, the secret lies in the computing paradigm that the brain uses compared to
digital computers. The brain uses massively parallel
computation using networks of neurons, and furthermore it uses adaptive
connectivity, as we saw in terms of synapses that can change the strength
using LTP and LTD. Digital computers, on the other hand, for
the most part use sequential information processing, using the traditional Von
Neumann architecture with CPUs and fixed connectivity.
And this, in turn, means that the two different types of computing systems have
different capabilities, at least for now. Digital computers excel in math and
symbol processing, whereas brains at least at the current point in time are
better at solving what are called ill-posed problems.
And these are problems such as speech and vision.
Okay. So, let's summarize what we have learned.
The structure and organization of the brain suggests specific computation
analogies in terms of information storage.
It appears that information in the brain is stored in the physical and chemical
structure of neurons and synapses. In terms of information transmission, we
know that neurons use spikes which are electrical, as well as they use synapses
which are chemicals. So, the brain appears to be using both
electrical and chemical modes of signalling.
In terms of the primary computing elements, these are neurons, and finally
what is the computational basis of the brain?
Well unfortunately, we do not know the answer to that question, but we can be
hopeful that perhaps at the end of the course, through all the discussions that
all of you are going to have on our course discussion board, maybe we'll
figure this out. but that still remains to be seen.
But what we will do in the course, and that we will do for sure, is that we will
try to understand computation in the brain through our three different kinds
of models: descriptive, mechanistic, and interpretive.
Thank you all for joining us this week. Hope you enjoyed the safari.
Next week, our other guide, Adrienne Fairhall, will introduce you to
descriptive models of neural encoding and decoding.
I'll be back for the last three weeks of the course to tell you about networks and
learning. Until then, this is Rajesh Rao signing
off. Good luck, and don't forget to keep your
neurons happy.