Föräldrar har upplevt hur nyfödda tar tag i fingret och håller hårt. Denna nästan omedelbara reaktion är en av de sötaste ofrivilliga rörelserna som bebisar uppvisar. Den nyföddas nerver känner en beröring, bearbeta informationen och reagera utan att behöva skicka en signal till hjärnan. Även om denna förmåga hos människor försvinner mycket tidigt i livet, systemet som möjliggör det erbjuder ett användbart exempel för digitala nätverk som ansluter sensorer, processorer och maskiner för att omsätta information till handling.

Min forskning om både det mänskliga nervsystemet och avancerade telekommunikationsnätverk har hittat några slående paralleller mellan de två, inklusive likheten mellan spädbarns nervsystem och de snabbresponsnätverk som nu utvecklas för att hantera alltid på, alltid anslutna nätverk av sensorer, kameror och mikrofoner i människors hem, samhällen och arbetsplatser.

Dessa insikter kan föreslå nya sätt att tänka på att designa framtida telekommunikationssystem, samt ge nya idéer för att diagnostisera och behandla neurologiska sjukdomar som multipel skleros, autismspektrumstörning och Alzheimers sjukdom.

En syn på mänsklig neurologi

Generellt, nervsystemet har tre huvudkomponenter:hjärnan, ryggmärgen och det perifera nervsystemet.

Det perifera nervsystemet är fördelat över hela kroppen, känna av ingångar som tryck, värme och kyla, och förmedla den informationen genom ryggmärgen till hjärnan. Detta system hanterar också svaren från hjärnan, kontrollera frivilliga rörelser, och gör någon lokal reglering av ofrivilliga kroppsfunktioner som andning, matsmältning och hålla hjärtat slå.

Ryggmärgen hanterar ett stort antal sensoriska input och handlingssvar som passerar fram och tillbaka mellan hjärnan och kroppen. Den hanterar också ofrivilliga muskelrörelser som kallas reflexbågar, som knärycksreflexen när läkaren gör en undersökning eller den snabba "dragningen" av en hand när något varmt berörs.

Hjärnan, centrum för det mesta av nervsystemets bearbetningskraft, har flera specialiserade regioner i sina högra och vänstra hemisfärer. Dessa områden tar input från sensorer som ögonen, öron och hud, och returnerar utgångar i form av tankar, känslor, minnen och rörelse. I många fall, dessa utdata används också av andra delar av hjärnan som input som möjliggör förfining och inlärning.

Hos friska människor, dessa element arbetar tillsammans i extraordinär harmoni genom att kombinera nätverk av celler som svarar på specifika kemikalier, mekaniska förändringar, ljusegenskaper, temperaturförändringar och smärta genom en process som kallas sensorisk transduktion. Denna komplexitet gör till och med en av de minsta komponenterna i nervsystemet, nervfibern, eller axon, en utmaning att studera.

Några av nervsystemets sammankopplingar, länge tänkt att bara vara fysisk, kan också vara effektivt trådlöst. Hjärnan genererar ett högspecialiserat elektriskt fält vid vissa nervfiberplatser under det normala förloppet av sin verksamhet. Att mäta egenskaperna hos detta fält kan ge indikationer på att en hjärna är frisk, eller att den kan ha vissa neurologiska störningar.

Inuti telenät

Den nuvarande generationen av avancerade telekommunikationsnät, känd som 5G, är trådlös, och har tre liknande kategorier av komponenter.

Den digitala motsvarigheten till det perifera nervsystemet är "sakernas internet". Det är ett stort och växande nätverk av enheter, fordon och hushållsapparater som innehåller elektronik, programvara och anslutningar som låter dem ansluta till varandra, interagerar och utbyter data.

Den tekniska motsvarigheten till hjärnan är "molnet, "en internetuppkopplad grupp kraftfulla datorer och processorer som lagrar, hantera och bearbeta data. De arbetar ofta tillsammans för att hantera komplexa uppgifter som involverar stora mängder input och bearbetning, innan du levererar utdata tillbaka över internet.

Mellan dessa två typer av komponenter finns ryggmärgsmotsvarigheten, en ny typ av nätverk som kallas "dimma" – en lek med det faktum att det är ett tunt distribuerat moln – inrättat för att förkorta nätverksanslutningar och de resulterande bearbetningsförseningarna mellan molnet och fjärrenheter. Processorerna och lagringsenheterna i dimman kan hantera uppgifter som kräver särskilt snabba reaktioner.

Slående likheter

Genom att bygga tekniska nätverk över hela den moderna världen, människor har uppenbarligen – och troligen omedvetet – speglat mänsklig neurologi.

Detta ger möjligheter att identifiera tekniska lösningar på nätverksproblem som skulle kunna anpassas till medicinska behandlingar för neurologiska störningar som inte har några kända botemedel.

Autismspektrumstörning, till exempel, är ett allvarligt utvecklingstillstånd som försämrar människors förmåga att kommunicera och interagera. Det tros uppstå som ett resultat av en obalans mellan två typer av neurala kommunikationer:Personer med autismspektrumstörning har för mycket aktivitet i neuroner som exciterar andra neuroner och för lite aktivitet i neuroner som tystar ner andra neuroner. Det här är som vad som händer när vissa länkar i ett telekommunikationsnätverk blir överbelastade, medan andra inte är upptagna alls. Mjukvaruverktyg som hanterar stora moln- och dimnätverk kan utjämna efterfrågan och minimera telekommunikationsförseningar. Dessa program kan också simulera – och föreslå sätt att minska – nätverksobalanserna i autismrelaterade funktionsnedsättningar.

Multipel skleros är en ofta invalidiserande sjukdom där kroppens immunförsvar tär på nervtrådarnas skyddande hölje. Detta stör informationsflödet i hjärnan, och mellan hjärnan och kroppen. Tekniskt sett, detta liknar avbrott vid särskilda nätverksanslutningspunkter, som regelbundet hanteras genom att skicka meddelanden via andra vägar som har fungerande förbindelser. Kanske kan medicinsk forskning identifiera sätt att omdirigera nervmeddelanden genom närliggande länkar när vissa nerver inte fungerar som de ska.

Att använda mjukvara och medicin tillsammans

Alzheimers sjukdom är en typ av demens som orsakar problem med minnet, tänkande och beteende. 2015, Jag presenterade arbete från mitt forskningslabb om upptäckten av nya nätverk i hjärnan vars beteende indikerade att Alzheimers sjukdom kan vara en autoimmun sjukdom, som MS är. Detta tyder på att en hjärna med Alzheimers kan vara som ett telekommunikationsnätverk som attackeras av en inkräktare som inte bara ändrar data inom nätverket, men också själva nätverkets struktur.

Min forskargrupp använde sedan det mänskliga immunförsvaret som inspiration för att utveckla mjukvara för att försvara datornätverk mot skadliga attacker. Denna programvara kan, i tur och ordning, användas för att simulera utvecklingen av Alzheimers sjukdom hos en patient, kanske lyfta fram sätt att minska dess effekter.

Nervsystemets inblandning i andra autoimmuna sjukdomar, som typ 1-diabetes och reumatoid artrit, kan erbjuda möjligheter till ytterligare insikter om digitala nätverk, eller hur sensorer och mjukvarulösningar kan hjälpa patienter. Från min synvinkel, mjukvarumodeller, gjort mer realistiskt av klinisk forskning, kommer att hjälpa forskare att förstå strukturen och funktionen hos det mänskliga nervsystemet och, längs vägen, göra telenät och tjänster snabbare och mer tillförlitliga och säkra.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.